[發明專利]模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201711185365.6
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107764657A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 宮鳳強;司雪峰;李夕兵;羅勇;董隴軍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/16;G01N3/08;G01N1/08
• 代理公司: 長沙新裕知識產權代理有限公司43210
• 代理人: 周躍仁

技術領域

本發明屬于地下工程開挖技術領域，涉及一種模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置及方法。

背景技術

隨著礦山、隧道和地下廠房施工的迅猛發展，由于開采深度的增加，面臨的地質條件日趨復雜，地下工程中開挖卸荷引起巷道圍巖產生巖爆、擠壓大變形和分區破裂化等工程問題引起了國內外學者的廣泛關注，成為巖石力學領域研究的熱點和難點。在地下工程施工過程中，開挖卸荷實際上是巖體在開挖面的應力得到釋放，打破了原有的力學平衡狀態，使巖體進行應力調整，產生新的變形。在巖石力學中，主要通過理論分析、室內模型試驗和數值模擬三種方法研究地下施工過程的開挖卸荷對巷道圍巖穩定性及破壞的影響，室內模型試驗主要有兩種方式模擬開挖卸荷：先開挖后加載和先加載后開挖。目前，多采用先開挖后加載的室內試驗方法來模擬洞壁的破壞過程，但是先開挖后加載的模擬方法與地下工程施工前處于一定的應力環境中不相吻合，因此為了更好的研究巷道圍巖的破壞及力學性質，先加載后開挖的試驗方法更接近實際工程。

國內關于地下工程開挖卸荷方面的專利，如申請號為201610220535.9，發明名稱為“一種實現巖石孔內不同應力路徑加卸荷的試驗裝置”，公開日：2016年8月17日，公開了一種實現巖石孔內不同應力路徑加卸荷的試驗裝置，該專利通過對含預制孔洞的試樣孔內加壓，然后卸載孔內壓力的方法模擬開挖卸荷，整個試驗過程為試樣開孔→加載→孔內加壓→孔內缷壓，無法實現先加載后開挖的試驗過程。申請號為201610551010.3，發明名稱為“巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法”，公開日：2016年9月7日，公開了一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法，該專利在預制巷道內通過下承壓板、上承壓板和側承壓板對巷道施加孔內壓力，然后卸荷的過程模擬巷道的開挖卸荷，該方法屬于先開挖后加載，與工程實踐中的開挖卸荷過程不同。申請號為201510228942.X，發明名稱為“適用于地質力學模型試驗的開挖卸荷裝置”，公開日：2015年8月12日，公開了一種適用于地質力學模型試驗的開挖卸荷裝置，該專利對模型試驗中的硐室圍巖開挖卸荷全過程進行動態模擬，未涉及巖石試樣先加載后開挖的試驗過程。申請號為201610028031.7，發明名稱為“模擬井巷開挖卸荷的試驗方法”，公開日：2016年6月15日，公開了一種模擬井巷開挖卸荷的試驗方法，該專利的試驗方法對井巷圍巖的逐步、快速卸荷進行真實模擬，體現不同巷道斷面形狀對圍巖變形、裂紋產生及發展的影響，該方法屬于先開孔后加載，孔內加卸荷的試驗，與現場的施工方式(巖體受力條件下開挖卸荷)不同。

上述專利均沒有介紹先加載后開挖的試驗方法，來使試驗方法更吻合施工前處的應力環境。

發明內容

為了達到上述目的，本發明提供一種模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置及方法，解決了先開挖后加載的模擬方法與地下工程施工前處于一定的應力環境中不相吻合的問題，可以實現先加載后開挖的模擬試驗，實現了自動排出鉆孔過程中的巖石碎屑，并且可以控制巷道開挖卸荷的速率。

本發明所采用的技術方案是，模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置包括鉆頭與螺旋鉆桿相連，螺旋鉆桿上設有螺旋通道和注液通道，螺旋鉆桿置于電機側端中間位置，電機下端四個角分別置于可伸縮支座上方，可伸縮支座分別與四個滑塊相連，滑塊置于水平導軌上，滑塊與連接桿相連，齒條與連接桿的中間部位相連，軸承與導軌相連，齒輪連接桿穿過軸承，齒輪連接桿上焊有齒輪，齒輪與齒條相嚙合，齒輪連接桿與變速電機連接，加載室由垂直上側加載塊、垂直下側加載塊、水平左側加載塊、水平右側加載塊和水平后側加載塊組成，巖石試樣置于加載室中。

進一步的，所述鉆頭、螺旋鉆桿、電機、滑塊、連接桿和齒條組成行走推進系統。

進一步的，所述鉆頭與螺旋鉆桿螺紋連接。

進一步的，所述可伸縮支座能夠伸長和縮短，每一節伸長或縮短25mm。

進一步的，所述電機型號為YM-118D，變速電機型號為7IK400R-C2F-GH。

本發明所采用的另一技術方案是，模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置的試驗方法，按照以下步驟進行：