一種複雜動力擾動巖爆室內實驗方法及其實施裝置製造方法
2023-05-28 05:19:06
一種複雜動力擾動巖爆室內實驗方法及其實施裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種複雜動力擾動巖爆室內實驗方法及其實施裝置，包括衝擊彈發射裝置、入射杆、透射杆、相互連通的前圍壓室和後圍壓室以及數據採集處理系統，入射杆後端位於前圍壓室內，前端穿過前圍壓室的前端室體與衝擊彈發射裝置對應，透射杆的前端穿過後圍壓室前端室體和前圍壓室後端室體伸入到前圍壓室內與入射杆的後端對應形成夾持巖石試樣的夾持副，透射杆的後端位於後圍壓室內，入射杆和透射杆上設置有應力片，應力片與數據採集處理系統信號連接。由衝擊彈發射裝置擊發衝擊彈撞擊設置在入射杆前端上的波形整形片，經整形的入射應力波對圍壓室內受圍壓巖石試樣形成壓剪複雜擾動。本發明能夠更加精確地模擬深部地下工程巖爆賦存巖石受力特點。
【專利說明】一種複雜動力擾動巖爆室內實驗方法及其實施裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在室內模擬地下深層巖石在動力擾動下巖爆的實驗方法及其實施裝置，屬於巖石力學實驗領域。 技術背景
[0002]在水電、土木、交通等諸多工程領域，許多重大巖石工程在地下高地應力環境下興建，高強度巖爆動力災害頻繁爆發，給人民生命財產帶了極大損失。為實現對巖爆災害的預測、預警和防護，首先需要認識巖爆孕育和發生的機理。實驗室內進行巖爆物理模擬實驗是認識巖爆災害機理的極為重要的手段。巖爆是一個動力學過程，巖爆室內模擬實驗必須考慮動力擾動對巖爆的關鍵觸發作用。為了取得更為接近工程實況的模擬實驗結果，巖爆室內模擬實驗必須儘量與現場工程實踐相一致。在現場工程實踐中，爆破開挖等動力荷載對保留巖體的動力擾動是複雜的，常表現為斜入射應力波產生壓剪組合動力擾動，且複雜而不利的動力擾動更容易誘發巖石失穩產生巖爆動力災害，其能量釋放更易呈現災變式的破壞。現有動力擾動巖爆實驗方法與裝置設計往往是對受靜壓下圓柱巖石試樣進行軸向正入射壓縮加載，即以正圓柱形巖石塊為巖石試樣，採用一維杆系的動力擾動巖爆實驗裝置進行實驗，所述實驗裝置由一個圍壓室、位於圍壓室內的支撐杆和一根入射杆構成，巖石試樣夾持在入射杆與支撐杆端面之間，通過衝擊彈撞擊入射杆，對正圓柱巖石試樣進行軸向正入射壓縮加載，圓柱巖石試樣側向承受圍壓。為模擬高地應力巖石賦存受力特點，使用單一液體圍壓室對巖石試樣施加圍壓，該圍壓往往使得加載端面移動導致試樣脫落，難於夾持。而為了夾持巖石試樣，需施加靜態機械力予以夾持，該靜態機械力的引入，改變了巖石試樣的受力狀態，即試樣所受到的載荷為正壓動載荷和機械夾持靜載荷複合力的作用，與設計的動力擾動實驗不符，所得的實驗結果不準確。同時，試樣承受的不是斜入射應力波產生的壓剪組合動力，不能正確模擬現場工程實踐中巖石受複雜動力擾動而失穩災變的情況。
【發明內容】
[0003]針對現有動力擾動巖爆實驗方法與裝置無法精確模擬巖石受力特點和沒有考慮複雜動力擾動的欠缺，本發明旨在提供一種模擬深部地下工程巖爆災害孕育發生中巖石賦存高地應力環境，能夠更加精確地模擬深部地下工程巖爆賦存巖石受力特點和複雜動力擾動對巖爆的觸發作用，與實際工況更為符合的複雜動力擾動下巖爆實驗的新方法及其實施
>J-U ρ?α裝直。
[0004]本發明提供的室內複雜動力擾動巖爆實驗方法，其構成為:將巖石試樣設計成中心線與端面法線呈Θ交角的斜圓柱，在相互連通的前後液壓圍壓室的前圍壓室內，將斜圓柱巖石試樣直於芽過如圍壓室如端室體的入射杆後端面與芽過如圍壓室後端室體和後圍壓室前端室體的透射杆前端面之間，用衝擊彈撞擊位於入射杆前端面上的波形整形片，入射應力波通過入射杆作用於斜圓柱巖石試樣，由入射杆被撞擊產生的位移經透射杆在後圍壓室產生的液壓同時作用於斜圓柱巖石試樣，形成對斜圓柱巖石試樣施加壓剪複雜入射動力擾動，由貼附在入射杆和透射杆上的應力片經數據採集處理系統測出在巖石試樣巖爆觸發和失穩時，施加在斜圓柱巖石試樣上的動力擾動。
[0005]在本發明上述方法技術方案中，所述斜圓柱巖石試樣最好設計為中空的斜圓柱巖石試樣，以模擬硐室開挖臨空面。斜圓柱巖石試樣的中心線與端面法線交角Θ —般不宜大於10度。
[0006]本發明提供的實施上述實驗方法的裝置，其構成主要包括，衝擊彈發射裝置、入射杆、透射杆、前圍壓室、後圍壓室、波形整形片、應力片和數據採集處理系統，前圍壓室與後圍壓室液壓連通，入射杆後端位於前圍壓室內，前端穿過前圍壓室的前端室體與衝擊彈發射裝置的發射鏜對應，波形整形片設置在入射杆前端，透射杆的前端穿過後圍壓室前端室體和前圍壓室後端室體伸入到前圍壓室內與入射杆的後端相對設置，形成夾持巖石試樣的夾持副，透射杆的後端位於後圍壓室內，應力片貼附在入射杆和/或透射杆上，與數據採集處理系統信號連接。
[0007]在本發明上述裝置技術方案中，前圍壓室與後圍壓室最好通過液壓總室相互連通，使兩圍壓室具有相同的液壓。
[0008]在本發明上述裝置技術方案中，所述波形整形片的材質為可塑性變形的材質，如塑性良好的金屬銅、金屬鋁、高分子塑料、橡膠等。波形整形片的厚度一般控制在I?5_範圍，通過調整波形整形片的厚度和衝擊彈的撞擊速度，可以得到不同強度和周期的入射波形。波形整形片的直徑一般不大於入射杆的直徑，而高壓氣室發射的衝擊彈直徑一般與入射杆和透射杆的直徑相同。
[0009]在本發明上述裝置技術方案中，所述衝擊彈發射裝置優先採用高壓氣衝擊彈發射裝置。當然也可採用機械衝擊彈發射裝置。
[0010]在本發明上述裝置技術方案中，所述前圍壓室和後圍壓室均最好設計成由金屬材質的筒體和位於筒體兩端的端板通過螺栓組裝構成的組合結構。
[0011]採用本發明對巖石試樣進行模擬實驗的過程和原理如下:
[0012]1、根據巖爆物理實驗所模擬的地應力大小，設計和調節作用於巖石試樣的圍壓大小，圍壓由液壓總室調控液壓進行調整，通過實驗裝置的前圍壓室對巖石試樣施加圍壓。
[0013]2、高壓氣衝擊彈發射裝置，通過高壓氣驅動衝擊彈撞擊位於入射杆前端的波形整形片，形成在入射杆中傳播的入射應力波，入射波由入射杆傳播作用於巖石試樣。衝擊彈的撞擊經塑性良好材質的波形整形片緩衝產生的入射波上升較緩，有利於實現巖石試樣兩端的動態應力平衡。
[0014]3、巖石試樣設計為中空斜圓柱，是以巖石試樣圓柱中空腔模擬硐室開挖臨空面，巖石試樣端面設計成其法線與巖石試樣軸線，即與入射杆軸線有一定的傾角Θ (—般不大於10° )，使沿入射杆軸向傳遞的入射波對巖石試樣產生不同程度的壓剪複合動力擾動。
[0015]4、裝置的圍壓室由前圍壓室和後圍壓室構成，兩圍壓室之間由液壓總室連通調控，可有效平衡兩圍壓室之間由於入射杆和透射杆移動產生的壓力變化，使前後圍壓室具有相同的液壓，使得巖石試樣既便於安裝且又不受不可控附加預荷載影響。
[0016]5、數據採集處理系統通過採集貼附在入射杆和透射杆上的應變片所測得應變信號數據進行後處理。數據後處理是基於一維應力波傳播原理計算巖石試樣的應力、應變時程歷史，計算入射波、反射波和透射波賦存的輸入、輸出能量，基於熱力學第一定理計算巖爆過程耗散能量，以研究複雜動力擾動對巖爆的觸發和失穩問題。
[0017]本發明提供了一種全新的雙室圍壓動靜組合加載系統，引入兩個圍壓室，兩圍壓室之間相互連通，巧妙地平衡了位於兩圍壓室之內的透射杆和位於前圍壓室之內的入射杆所受的靜水壓力，使得在入射杆和透射杆之間安裝巖石試樣的時候，不需引入不可控的預加強制荷載(預加強制荷載的引入，使得實驗的本質為動靜組合加載，而非實驗設計工況的圍壓-動力加載，結果誤差較大)，使得高精度的圍壓動力試驗得以順利進行；巧妙的設計巖爆實驗的巖石試樣，中空的試樣設計模擬硐室開挖臨空面，圍壓模擬地下深層地應力；巧妙的設計不同的巖石試樣端部的傾角，和軸向入射波配合形成不同程度的壓剪複雜入射動力擾動，從而實現在實驗室內進行複雜動力擾動巖爆物理實驗，研究複雜動力擾動對巖爆的觸發和失穩問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明動力擾動巖爆實驗裝置的結構示意圖。
[0019]圖2為複雜入射動力擾動巖爆實驗試樣受力示意圖。
[0020]圖3為本發明巖石試樣的主視結構示意圖。
[0021]圖4為本發明巖石試樣的俯視結構示意圖。
[0022]上述附圖中各圖示標號表識的對象分別:1-衝擊彈發射裝置；2_衝擊彈；3-波形整形片；4_入射杆；5_透射杆；6_巖石試樣；7_應變片；8_前圍壓室；9_後圍壓室；10_液壓總室；11_數據採集處理系統。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖給出本發明的具體實施例，並通過實施例對本發明作進一步的具體描述。有必要在此指出，下面的實施例只是用於更好地闡述本發明的工作原理及其實際應用，以便於其它領域的技術人員將本發明用於其領域的各種設施中，並根據各種特定用途的設想進行改進。儘管本發明已通過文字揭露其首選實施方案，但通過閱讀這些技術文字說明可以領會其中的可優化性和可修改性，並在不偏離本發明的範圍和精神上進行改進，但這樣的改進應仍屬於本發明權利要求的保護範圍。
[0024]實施例1
[0025]本實施例的室內複雜動力擾動巖爆實驗裝置，其結構如附圖1所示，其構成主要包括，高壓氣衝擊彈發射裝置1、入射杆4、透射杆5、前圍壓室8、後圍壓室9、波形整形片3、應力片7和數據採集處理系統11，前圍壓室與後圍壓室通過液壓總室10連通，入射杆後端位於前圍壓室內，前端穿過前圍壓室的前端室體與衝擊彈發射裝置的發射鏜對應，波形整形片設置在入射杆前端，透射杆的前端穿過後圍壓室前端室體和前圍壓室後端室體伸入到前圍壓室內與入射杆的後端相對設置，形成夾持巖石試樣6的夾持副，透射杆的後端位於後圍壓室內，入射杆和透射杆上分別設置有應力片，應力片與數據採集處理系統信號連接。所述波形整形片3為直徑3cm、厚度3_的銅材質圓形墊片。所述巖石試樣6為中空斜圓柱，作為巖石試樣的中空斜圓柱端面法線與斜圓柱軸線之間的交角為3度左右。
[0026]實驗時，將中空斜圓柱結構的巖石試樣置於入射杆後端面與透射杆前端面之間，啟動聞壓氣衝擊彈發射裝置的擊發機構，發射衝擊彈撞擊位於入射杆前端面上的波形整形片，入射應力波通過入射杆作用於中空斜圓柱巖石試樣，由入射杆被撞擊產生的位移經透射杆在後圍壓室產生的液壓同時作用於斜圓柱巖石試樣，形成對斜圓柱巖石試樣施加壓剪複雜入射動力擾動，由在入射杆和透射杆上貼附的應力片採集施加在斜圓柱巖石試樣上的應力應變，由數據採集處理系統處理後得出巖石試樣在複雜動力擾動下巖爆災
害觸發和失穩的相關實驗數據(由公式『η為計算入射波攜帶能量，由公式
舊~~ 二4O:力計算反射波攜帶能量，由公式W71 = JtCtdr計算透射波攜帶能量，
由公式AW=W1-Wr-Wt計算巖爆耗散能量)。
【權利要求】
1.一種室內複雜動力擾動巖爆實驗方法，其特徵在於，將巖石試樣設計成中心線與端面法線呈Θ角的斜圓柱，在相互連通的前後液壓圍壓室的前圍壓室內，將斜圓柱巖石試樣直於芽過如圍壓室如端室體的入射杆後端面與芽過如圍壓室後端室體和後圍壓室如端室體的透射杆前端面之間，用衝擊彈撞擊位於入射杆前端面上的波形整形片，經整形的入射應力波通過入射杆作用於斜圓柱巖石試樣，形成對斜圓柱巖石試樣施加壓剪複雜入射動力擾動，由貼附在入射杆和透射杆上的應力片經數據採集處理系統測出在巖石試樣巖爆觸發和失穩時，施加在斜圓柱巖石試樣上的動力擾動。
2.根據權利要求1所述的室內複雜動力擾動巖爆實驗方法，其特徵在於，所述斜圓柱巖石試樣為中空的斜圓柱巖石試樣。
3.根據權利要求2所述的室內複雜動力擾動巖爆實驗方法，其特徵在於，所述斜圓柱巖石試樣的中心線與端面法線交角Θ不大於10度。
4.權利要求1或2或3所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在於包括，衝擊彈發射裝置(I)、入射杆(4)、透射杆(5)、前圍壓室(8)、後圍壓室(9)、波形整形片(3)、應力片(7)和數據採集處理系統(11)，前圍壓室與後圍壓室液壓連通，入射杆後端位於前圍壓室內，前端穿過前圍壓室的前端室體與衝擊彈發射裝置的發射鏜對應，波形整形片設置在入射杆前端，透射杆的前端穿過後圍壓室前端室體和前圍壓室後端室體伸入到前圍壓室內與入射杆的後端相對設置，形成夾持巖石試樣的夾持副，透射杆的後端位於後圍壓室內，應力片貼附在入射杆和透射杆上，與數據採集處理系統信號連接。
5.根據權利要求4所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在於前圍壓室與後圍壓室通過液壓總室(10)連通。
6.根據權利要求4所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在于波形整形片的材質為可塑性變形的材質。
7.根據權利要求6所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在于波形整形片的厚度為I?5mm。
8.根據權利要求6所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在於高壓氣室發射的衝擊彈直徑與入射杆和透射杆直徑相同。
9.根據權利要求4至8之一所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在於所述衝擊彈發射裝置為高壓氣衝擊彈發射裝置。
10.根據權利要求4至8之一所述室內複雜動力擾動巖爆實驗方法的實施裝置，其特徵在於前圍壓室和後圍壓室均為組合結構，由金屬材質的筒體和位於筒體兩端的端板通過螺栓組裝構成。
【文檔編號】G01N3/30GK103604706SQ201310529098
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】戴 峰, 謝和平, 徐奴文, 李彪, 魏明東 申請人:四川大學