[发明专利]一种复杂动力扰动岩爆室内实验方法及其实施装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种在室内模拟地下深层岩石在动力扰动下岩爆的实验方法及其实施装置，属于岩石力学实验领域。

技术背景

在水电、土木、交通等诸多工程领域，许多重大岩石工程在地下高地应力环境下兴建，高强度岩爆动力灾害频繁爆发，给人民生命财产带了极大损失。为实现对岩爆灾害的预测、预警和防护，首先需要认识岩爆孕育和发生的机理。实验室内进行岩爆物理模拟实验是认识岩爆灾害机理的极为重要的手段。岩爆是一个动力学过程，岩爆室内模拟实验必须考虑动力扰动对岩爆的关键触发作用。为了取得更为接近工程实况的模拟实验结果，岩爆室内模拟实验必须尽量与现场工程实践相一致。在现场工程实践中，爆破开挖等动力荷载对保留岩体的动力扰动是复杂的，常表现为斜入射应力波产生压剪组合动力扰动，且复杂而不利的动力扰动更容易诱发岩石失稳产生岩爆动力灾害，其能量释放更易呈现灾变式的破坏。现有动力扰动岩爆实验方法与装置设计往往是对受静压下圆柱岩石试样进行轴向正入射压缩加载，即以正圆柱形岩石块为岩石试样，采用一维杆系的动力扰动岩爆实验装置进行实验，所述实验装置由一个围压室、位于围压室内的支撑杆和一根入射杆构成，岩石试样夹持在入射杆与支撑杆端面之间，通过冲击弹撞击入射杆，对正圆柱岩石试样进行轴向正入射压缩加载，圆柱岩石试样侧向承受围压。为模拟高地应力岩石赋存受力特点，使用单一液体围压室对岩石试样施加围压，该围压往往使得加载端面移动导致试样脱落，难于夹持。而为了夹持岩石试样，需施加静态机械力予以夹持，该静态机械力的引入，改变了岩石试样的受力状态，即试样所受到的载荷为正压动载荷和机械夹持静载荷复合力的作用，与设计的动力扰动实验不符，所得的实验结果不准确。同时，试样承受的不是斜入射应力波产生的压剪组合动力，不能正确模拟现场工程实践中岩石受复杂动力扰动而失稳灾变的情况。

发明内容

针对现有动力扰动岩爆实验方法与装置无法精确模拟岩石受力特点和没有考虑复杂动力扰动的欠缺，本发明旨在提供一种模拟深部地下工程岩爆灾害孕育发生中岩石赋存高地应力环境，能够更加精确地模拟深部地下工程岩爆赋存岩石受力特点和复杂动力扰动对岩爆的触发作用，与实际工况更为符合的复杂动力扰动下岩爆实验的新方法及其实施装置。

本发明提供的室内复杂动力扰动岩爆实验方法，其构成为：将岩石试样设计成中心线与端面法线呈θ交角的斜圆柱，在相互连通的前后液压围压室的前围压室内，将斜圆柱岩石试样置于穿过前围压室前端室体的入射杆后端面与穿过前围压室后端室体和后围压室前端室体的透射杆前端面之间，用冲击弹撞击位于入射杆前端面上的波形整形片，入射应力波通过入射杆作用于斜圆柱岩石试样，由入射杆被撞击产生的位移经透射杆在后围压室产生的液压同时作用于斜圆柱岩石试样，形成对斜圆柱岩石试样施加压剪复杂入射动力扰动，由贴附在入射杆和透射杆上的应力片经数据采集处理系统测出在岩石试样岩爆触发和失稳时，施加在斜圆柱岩石试样上的动力扰动。

在本发明上述方法技术方案中，所述斜圆柱岩石试样最好设计为中空的斜圆柱岩石试样，以模拟硐室开挖临空面。斜圆柱岩石试样的中心线与端面法线交角θ一般不宜大于10度。

本发明提供的实施上述实验方法的装置，其构成主要包括，冲击弹发射装置、入射杆、透射杆、前围压室、后围压室、波形整形片、应力片和数据采集处理系统，前围压室与后围压室液压连通，入射杆后端位于前围压室内，前端穿过前围压室的前端室体与冲击弹发射装置的发射镗对应，波形整形片设置在入射杆前端，透射杆的前端穿过后围压室前端室体和前围压室后端室体伸入到前围压室内与入射杆的后端相对设置，形成夹持岩石试样的夹持副，透射杆的后端位于后围压室内，应力片贴附在入射杆和/或透射杆上，与数据采集处理系统信号连接。

在本发明上述装置技术方案中，前围压室与后围压室最好通过液压总室相互连通，使两围压室具有相同的液压。

在本发明上述装置技术方案中，所述波形整形片的材质为可塑性变形的材质，如塑性良好的金属铜、金属铝、高分子塑料、橡胶等。波形整形片的厚度一般控制在1～5mm范围，通过调整波形整形片的厚度和冲击弹的撞击速度，可以得到不同强度和周期的入射波形。波形整形片的直径一般不大于入射杆的直径，而高压气室发射的冲击弹直径一般与入射杆和透射杆的直径相同。

在本发明上述装置技术方案中，所述冲击弹发射装置优先采用高压气冲击弹发射装置。当然也可采用机械冲击弹发射装置。

在本发明上述装置技术方案中，所述前围压室和后围压室均最好设计成由金属材质的筒体和位于筒体两端的端板通过螺栓组装构成的组合结构。