[發明專利]一種復雜動力擾動巖爆室內實驗方法及其實施裝置

有效

• 申請號: 201310529098.5
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103604706A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 戴峰;謝和平;徐奴文;李彪;魏明東
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 呂建平

技術領域

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，屬于巖石力學實驗領域。

技術背景

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盡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復雜的，常表現為斜入射應力波產生壓剪組合動力擾動，且復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，采用一維桿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、位于圍壓室內的支撐桿和一根入射桿構成，巖石試樣夾持在入射桿與支撐桿端面之間，通過沖擊彈撞擊入射桿，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，難于夾持。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復合力的作用，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復雜動力擾動而失穩災變的情況。

發明內容

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復雜動力擾動的欠缺，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復雜動力擾動對巖爆的觸發作用，與實際工況更為符合的復雜動力擾動下巖爆實驗的新方法及其實施裝置。

本發明提供的室內復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，在相互連通的前后液壓圍壓室的前圍壓室內，將斜圓柱巖石試樣置于穿過前圍壓室前端室體的入射桿后端面與穿過前圍壓室后端室體和后圍壓室前端室體的透射桿前端面之間，用沖擊彈撞擊位于入射桿前端面上的波形整形片，入射應力波通過入射桿作用于斜圓柱巖石試樣，由入射桿被撞擊產生的位移經透射桿在后圍壓室產生的液壓同時作用于斜圓柱巖石試樣，形成對斜圓柱巖石試樣施加壓剪復雜入射動力擾動，由貼附在入射桿和透射桿上的應力片經數據采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。

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一般不宜大于10度。

本發明提供的實施上述實驗方法的裝置，其構成主要包括，沖擊彈發射裝置、入射桿、透射桿、前圍壓室、后圍壓室、波形整形片、應力片和數據采集處理系統，前圍壓室與后圍壓室液壓連通，入射桿后端位于前圍壓室內，前端穿過前圍壓室的前端室體與沖擊彈發射裝置的發射鏜對應，波形整形片設置在入射桿前端，透射桿的前端穿過后圍壓室前端室體和前圍壓室后端室體伸入到前圍壓室內與入射桿的后端相對設置，形成夾持巖石試樣的夾持副，透射桿的后端位于后圍壓室內，應力片貼附在入射桿和/或透射桿上，與數據采集處理系統信號連接。

在本發明上述裝置技術方案中，前圍壓室與后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。

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1～5mm范圍，通過調整波形整形片的厚度和沖擊彈的撞擊速度，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于入射桿的直徑，而高壓氣室發射的沖擊彈直徑一般與入射桿和透射桿的直徑相同。

在本發明上述裝置技術方案中，所述沖擊彈發射裝置優先采用高壓氣沖擊彈發射裝置。當然也可采用機械沖擊彈發射裝置。

在本發明上述裝置技術方案中，所述前圍壓室和后圍壓室均最好設計成由金屬材質的筒體和位于筒體兩端的端板通過螺栓組裝構成的組合結構。