[发明专利]一种模拟高应力区地下工程开挖岩爆试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及山地高应力区隧道建设和煤矿开采领域，特别是涉及一种模 拟高应力区地下工程开挖岩爆试验装置及方法。

背景技术

21世纪以来，随着国民经济的发展，人们对资源和能源的依赖程度越来 越高。目前我国浅部资源利用率极高，而深部资源开采已经成为弥补资源短 缺的重要手段。山区隧道工程作为我国公路网的重要组成部分，在促进山区 资源开发、改善山区出行条件等方面发挥了重要作用。然而近年来随着隧道 埋置深度的逐渐加深，导致地质灾害频发，严重威胁了通行安全。在煤炭开 采方面，我国每年开采深度以10-25m的速度增加，平均开采深度达700m左 右。随着煤炭开采和隧道工程等人类活动的不断向地球内部的深入，人们发 现深部岩石有着不同与浅部岩石的特点，这些特点利用现有知识无法很好的 描述。尤其是岩爆现象给工程造成极大的损害，阻碍了我国工程建设的发展。

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积 的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多 余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。岩爆往往造成开 挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。岩爆现象已成为岩石地下工程 和岩石力学领域的世界性难题，对其采取预防研究已经迫在眉睫。

当前，涉及岩爆的预防技术主要有两种。一种是现场监测，在隧道开挖 过程中，监测围岩的变形情况，提出合理的支护手段，如撒水、注浆、支撑 等；另一种是室内试验，采取岩样制作成试验标准试件，在力学试验机上加 载得到岩石力学指标(强度、模量、变形等)。但在试验过程中，常常遇到对 试样施加三向应力非常困难，尤其是模拟隧道开挖过程中，围岩一面临空五 面受力的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟高应力区地下工 程开挖岩爆试验装置及方法，岩爆试验装置不仅可以模拟隧道开挖前围岩的 受力情况，还可以模拟隧道开挖过程中，围岩一面临空五面受力的情况。试 验装置结构简单，方法容易操作，可以实时观测试样的应力和变形，为岩爆 灾害的预防提供有效的基础信息。

本发明的目的是这样实现的：

一种模拟高应力区地下工程开挖岩爆试验装置，包括基架，所述基架由 顶部垫板、底部垫板、I型竖向支撑平板、II型竖向支撑平板构成，所述顶 部垫板包括呈“凵”型的凹板以及“一”字型搭接板，所述搭接板搭接于凹 板的两端，形成“口”字型，所述凹板的三个侧板以及搭接板上均设置有上 卡接槽；所述底部垫板呈“口”字型，其四个侧板上均设置有下卡接槽，与 顶部垫板上的上卡接槽对应；所述I型竖向支撑平板为长方形板，I型竖向支 撑平板的数量为三个，三个I型竖向支撑平板卡接于凹板的三个侧板上的上 卡接槽以及对应的下卡接槽内，所述II型竖向支撑平板呈“凸”字型，其上 端突出部卡接于“一”字型搭接板上的上卡接槽内，其下端卡接于对应的下 卡接槽内；

所述II型竖向支撑平板的内壁中部固定有第一圆形圈套，所述第一圆形 圈套内安装有第一液压千斤顶，所述三个I型竖向支撑平板的内壁中部固定 有第二圆形圈套，所述第二圆形圈套内安装有第二液压千斤顶，所述第一液 压千斤顶、第二液压千斤顶位于同一水平面上，形成水平载荷输出系统，第 一液压千斤顶、第二液压千斤顶的施力端之间为岩样容纳空间，所述第一液 压千斤顶、第二液压千斤顶的侧壁上分别固定有用于实时监测试验过程中试 件轴向变形值的百分表。

进一步地，所述第一圆形圈套焊接在II型竖向支撑平板的内壁中部；所 述第二圆形圈套焊接在对应I型竖向支撑平板的内壁中部。

进一步地，所述凹板两端侧板的卡接槽内固定有盖帽，用于对对应的I 型竖向支撑平板限位。

进一步地，所述盖帽焊接固定于对应的卡接槽内。

进一步地，所述凹板的两端分别设有向下凹陷的搭接槽，所述搭接板的 两端设置宽度变小的搭接凸起与对应的搭接槽搭接，形成搭接板的限位。

一种模拟高应力区地下工程开挖岩爆试验方法，取一种模拟高应力区地 下工程开挖岩爆试验装置，本方法包括以下步骤：

S1.将岩爆试验装置安装在岩石力学试验机上，在装置内放入立方体状 的岩样，试验前制定好试验所要施加的载荷值，在岩石力学试验机施加竖向 载荷的同时，利用岩爆装置施加水平方向载荷，以此实现三向应力的施加， 模拟隧道开挖前围岩的受力情况；

S2.加载到试验所制定的载荷后，记录岩样所受的压力值以及对应的变形 量；