(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210926429.8 (22)申请日 2022.08.03 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 三号巷11号 (72)发明人 冯夏庭　李世平　杨成祥　林峰　 童天扬　张九雨　苏香馨　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 尚云飞 (51)Int.Cl. G01N 29/04(2006.01) G01N 9/36(2006.01) G01N 3/08(2006.01) G01N 3/02(2006.01)G01N 1/28(2006.01) E21D 9/10(2006.01) E21D 9/11(2006.01) (54)发明名称 微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置 及其使用方法 (57)摘要 一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩 装置及其使用方法， 属于深 部工程硬岩破碎技术 领域。 所述微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩 装置包括多端口敞开式微波致裂装置、 微波致裂 过程监测装置和微波参数主动调节系统， 微波参 数主动调节系统的控制器根据红外热成像仪采 集的硬岩微波照射面温度控制微波辐射器输出 端口的开闭， 根据破裂信号采集装置采集的破裂 声波信号调整微波旋转装置的转速， 根据高速摄 像头拍摄的硬岩裂纹扩展图像控制套管式波导 的伸缩。 所述微波参数主动调节旋转致裂深部硬 岩装置及其使用方法既能够用于岩土工程现场 又能够在实验室内展开研究， 实现敞开式微波致 裂， 为TBM刀盘上微波辐射器的布置提供依据。 权利要求书3页 说明书10页 附图4页 CN 115290752 A 2022.11.04 CN 115290752 A 1.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 包括多端口敞开式微 波致裂装置、 微波致裂过程 监测装置和微波参数主动调节系统； 所述多端口敞开式微波致裂装置包括依次设置的微波发生器、 微波旋转装置和微波分 流装置， 所述微波分流装置的每个输出端口均依 次连接套管式波导、 多端口微波转接器和 微波辐射器组， 所述 微波辐射器组包括若干个微波辐射器； 所述微波致裂过程监测装置包括设置于硬岩的破裂信号采集装置以及设置于硬岩微 波照射面前方的红外热成像仪和高速摄 像头； 所述微波参数主动调节系统包括分别与破裂信号采集装置、 红外热成像仪、 高速摄像 头、 微波旋转装置、 套 管式波导和微波辐射器相连的控制器， 所述控制器根据红外热成像仪 采集的硬岩微波照射面温度控制微波辐射器输出端口的开闭， 根据破裂信号采集装置采集 的硬岩破裂声波信号调整微波旋转装置的转速， 根据高速摄像头拍摄的硬岩 裂纹扩展图像 控制套管式波导的伸缩。 2.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 微波辐射器组包括三个微波辐 射器， 分别为收敛形微波辐 射器、 标准形微波辐 射器和喇叭 形微波辐射器， 三个微波辐射器分别与多 端口微波转接器的三个输出端口相连。 3.根据权利要求2所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 收敛形微波辐射器、 标准形微波辐射器和喇叭形微波辐射器的输出端口均通过转轴转动安 装有挡板， 所述 转轴与挡板驱动相连， 以实现微波辐射器输出端口 的开闭。 4.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 微波旋转装置包括与微波发生器相连的矩形波导以及与所述矩形波导转动连接的圆波导， 所述圆波导外部沿周向设置有外齿， 所述外齿与旋转驱动输出端的轴承齿轮啮合； 所述矩 形波导与微波发生器之间的连接波导上设置有微波反射功率计和微波反射调节器。 5.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 套管式波导包括滑动连接的外波导和内波导， 所述外波导的一端与微波分流装置的输出端 口固连， 所述外波导的内部 设置有电动推杆， 所述电动推杆的伸出端与内波导的一端相连， 所述内波导的另一端与多 端口微波转接器的输入端口相连。 6.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 破裂信号采集装置采用破裂信号接受器 或者声发射传感器， 所述破裂信号接受器安装于硬 岩内部， 用于在工程现场采集硬岩破裂声波信号； 所述声发射传感器与硬岩表 面贴合， 用于 在实验室采集硬岩破裂声 波信号。 7.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 所述 微波发生器与高压电源相连， 并且微波发生器设置有远程操作屏， 所述远程操作屏用于远 程开启微波发生器、 输入微波功率和照射时间。 8.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置， 其特征在于， 还包 括距离调节装置， 所述距离调节装置包括设置于微波发生器下方的移动平台以及设置于多 端口微波转接器靠近硬岩一侧的红外测距仪， 所述红外测距仪采集微波辐射器与硬岩之间 的距离发送给控制器， 控制 器控制移动平台移动， 将微波辐 射器与硬岩之间的距离调整到 设置值。 9.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法， 在实验室内采用权利要权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115290752 A 2求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样， 其特征在于， 包括以下 步骤： 步骤1、 制备硬岩试样； 步骤2、 将硬岩试样放置于真三轴应力加载装置， 调整微波辐射器与硬岩试样微波照射 面之间的距离 至设定值； 步骤3、 启动真三轴应力加载装置， 对硬岩试样进行三个主应力方向加载； 同时， 预热微 波发生器， 打开所有微波辐射器的输出端口； 步骤4、 当三个主应力方向加载的应力均达到设定值时， 设置微波功率及照射时间， 开 启微波及启动微波致裂过程 监测装置， 进行 试验： 步骤4.1、 硬岩试样微波照射 面升温阶段， 选择微波辐射器的类型： 红外热成像仪实时监测硬岩试样微波照 射面的温度发送给控制器， 控制器根据硬岩试 样微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐 射器输出端口对应的硬岩试样微 波照射面的升温速率v， 控制器控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打 开， 控制其 他微波辐射器的输出端口关闭； 步骤4.2、 硬岩试样初始致裂时， 调整微波辐射器的转速： 微波旋转装置带动 微波辐射器旋转， 声发射传感器采集硬岩试样破裂声波信号发送给 控制器， 控制器根据破裂声 波信号得到硬岩初始破裂时间t， 并进行如下判断： 如果t≤t1， 保持微波辐射器的转速不变； 如果t＞t1， 提高微波辐射器的转速 至转速设定值V； 式中， t1为破裂时间阈值； 步骤4.3、 硬岩试样致裂阶段， 调整微波辐射器之间的间距： 高速摄像头实时拍摄硬岩试样的裂纹扩展图像发送给控制器， 控制器根据裂纹扩展图 像获取实时裂纹密度g， 并进行如下判断： 如果g＜G， 套管式波导的缩回， 缩小微波辐射器之间的间距， 直至g＝G时停止缩回； 如果G＜g＜G0， 套管式波导的伸出， 扩大微波辐射器之间的间距， 直至g＝G时停止伸出； 如果g≥G0， 微波发生器停止微波照射， 试验结束； 式中， G为裂纹密度阈值下限； G0为裂纹密度阈值上限。 10.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法， 在岩土工程现场采用 权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩， 其特征在于， 包括以 下步骤： S1、 在岩土 工程现场安装微波参数主动调节旋转 致裂深部硬岩装置； S2、 调整微波辐射器与硬岩微波照射 面之间的距离 至设定值； S3、 预热微波发生器， 打开所有微波辐射器的输出端口； S4、 设置微波功率及照射时间， 开启微波及启动微波致裂过程 监测装置， 致裂 硬岩： S4.1、 硬岩微波照射 面升温阶段， 选择微波辐射器的类型： 红外热成像仪实时监测硬岩微波照射面的温度发送给控制器， 控制器根据硬岩微波照 射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐 射器输出端口对应的硬岩微波照射面的升 温速率v， 控制器控制升温速率v最快 的照射面位置对应的微波辐 射器保持打开， 控制其他 微波辐射器的输出端口关闭；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115290752 A 3