CN105527177A - 一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法及装置，该方法采用柔性胶囊对深部岩体模拟材料试件模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击方式模拟施加于深部岩体模拟材料试件的爆炸地冲击扰动。该试验装置包括容置深部岩体模拟材料试件的高强度刚性箱体，试验试件的每个面与所述箱体之间都设有柔性胶囊，所述柔性胶囊设有注入液体加压的注压孔，顶面柔性胶囊上设有液压冲击装置。本发明的试验方法及装置用柔性胶囊加载替代传的统液压油缸加载方式，其外部附属设备少，加载面均匀度高，有利于爆炸载荷的接入与传递；用液压冲击方法替代化学爆炸，安全性高，模拟载荷波形精确可控，且重复性强。
Description
技术领域
本发明涉及深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验技术领域，具体说是一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法及装置。
背景技术
深部岩体存在于地下高地应力环境中，其本身为高含能块体。根据俄罗斯相关资料，地下爆炸对岩体介质的作用影响能够持续数小时，该作用影响主要依赖深部岩体自身储存的能量。1989年4月16日俄罗斯基洛夫区“阿帕基特”矿山在地下252m处实施230吨BB炸药爆破，爆破在巷道中实施，持续时间为400~500ms，诱发了4.8~5级地震，震中烈度6~7度，6km外基洛夫城地震烈度4~5烈度，相应的地震能量为1012焦耳，而爆炸能量仅为108~109焦耳，地下爆炸诱发的地震总能量远远大于爆炸总能量（高几个数量级）。这表明岩体中储存有大量的处于不稳定平衡状态的地质构造变形能，在地下爆炸影响下剧烈释放。另一方面美国正研发钻地爆炸物器，深部岩体在钻地武器爆炸扰动中产生慢速“变位波”，易诱发工程性地震，我国地下防护工事将面临严重威胁。因此深部岩体在爆炸冲击扰动下的力学行为是迫切的研究需求。
对于深地下工程所研究的天然岩体而言，由于长期受各种自然造物因素的作用和影响，形成了极其复杂的结构和构造特征，其在爆炸扰动作用下的变形破坏具有非协调非相容特性，物理过程复杂，影响因素众多，目前在理论分析上还存在很大困难，数值模拟也难以准确进行。在满足相似原理的条件下，模型试验不仅可以在试验室条件下再现工程中发生的现象，并且试验过程中的主要因素能独立控制，可以模拟不同的物理量组合情况，试验成本低、周期短，是比较可行的方法。目前国内外常采用化学爆炸的方式开展研究，但该方法危险性高，爆炸载荷波形难以精确控制，且可重复性差。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法。该方法严格基于相似理论，采用液压冲击的方式产生模拟爆炸载荷，采用大体积柔性胶囊模拟施加高地应力环境。
本发明的另一目的是提供一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，采用柔性胶囊对深部岩体模拟材料试件模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击方式模拟施加于深部岩体模拟材料试件的爆炸地冲击扰动。
本发明进一步的设计方案中，上述深部岩体模拟材料试件置于箱体中，各面覆盖有柔性胶囊，所述深部岩体模拟材料试件上面的柔性胶囊上设置有液压冲击装置，各面的柔性胶囊通过各自的注压孔注入液体加压，对深部岩体模拟材料试件模拟施加高地应力环境。
本发明进一步的设计方案中，上述液压冲击装置包括冲击活塞、动压腔、泄压单元和传压板，所述传压板位于所述动压腔和所述深部岩体模拟材料试件上面的柔性胶囊之间，所述冲击活塞与泄压单元与动压腔连通，所述冲击活塞连接有高压射流发生装置，高压射流发生装置产生的高压射流冲击冲击活塞，压缩所述动压腔体积使动压腔中的压力上升，但载荷达到载荷峰值时，打开所述泄压单元，使动压腔中的压力下降，从而产生类三角形载荷的模拟爆炸地冲击扰动，所述模拟爆炸地冲击扰动经动压腔-传压板-柔性胶囊的传递路径进入所述深部岩体模拟材料试件。
本发明进一步的设计方案中，施加静载时，为保证压力平衡，动压腔内注入与胶囊相同压力的液体。
本发明进一步的设计方案中，上述载荷峰值范围为0~3MPa、压力上升时间为2.5~10ms、下降时间为上升时间的2倍。
一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，包括容置深部岩体模拟材料试件的高强度刚性箱体，深部岩体模拟材料试件每个面与所述箱体之间都设有柔性胶囊，所述柔性胶囊设有注入液体加压的注压孔，顶面柔性胶囊上设有液压冲击装置。
本发明进一步的设计方案中，上述液压冲击装置包括冲击活塞、动压腔、泄压单元和传压板，所述传压板位于所述动压腔和所述深部岩体模拟材料试件上面的柔性胶囊之间，所述冲击活塞与泄压单元与动压腔连通，所述冲击活塞连接有高压射流发生装置，动压腔也设有液体加压的注压孔。
本发明具有以下突出的有益效果：
本发明的液压冲击方法替代化学爆炸，安全性高，模拟载荷波形精确可控，且重复性强。柔性胶囊加载替代传的统液压油缸加载方式，其外部附属设备少，加载面均匀度高，有利于爆炸载荷的接入与传递。
附图说明
图1是深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置结构示意图；
图2是深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置中冲击活塞的结构示意图。
图3是深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置中泄压单元的结构示意图。
图中，1-深部岩体模拟材料试件，2-柔性胶囊，3-动压腔，4-冲击活塞，5-泄压单元，6-注压孔，7-注压孔，8-注压孔，9-注压孔，10-传压板，11-箱体，41-油缸，42-活塞杆，43-螺母，44-活塞，51-缸筒，52-调节弹簧，53-卸载活塞，54-调节活塞，55-卸载孔，56-定位销，57-定位套，58-定位弹簧。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:
实施例1
如图1所示，一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，包括容置深部岩体模拟材料试件1的高强度刚性箱体11，深部岩体模拟材料试件1每个面与箱体11之间都设有柔性胶囊2，柔性胶囊2设有注入液体加压的注压孔7、8、9，顶面柔性胶囊2上设有液压冲击装置，液压冲击装置包括冲击活塞4、动压腔3、泄压单元5和传压板10，传压板10位于动压腔3和深部岩体模拟材料试件1上面的柔性胶囊2之间，冲击活塞4及泄压单元5与动压腔3连通，冲击活塞4连接有高压射流发生装置，动压腔3也设有液体加压的注压孔6，动压腔3、传压板10、柔性胶囊2等尺寸可以灵活改变以适应不同尺寸的试件。
应用上述试验装置进行模拟试验的方法，是采用柔性胶囊2对深部岩体模拟材料试件1模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击方式模拟施加于深部岩体模拟材料试件1的爆炸地冲击扰动。具体操作过程如下：
将深部岩体模拟材料试件1置于箱体11中，深部岩体模拟材料试件1各面的柔性胶囊2通过各自的注压孔7、8、9注入液体加压，模拟施加静态载荷，对深部岩体模拟材料试件1模拟施加高地应力环境，同时通过注压孔6对动压腔3注入相同压力的液体。当试件内应力达到试验需求时，使用高压射流发生装置产生的高压射流冲击冲击活塞4，压缩所述动压腔3体积使动压腔3中的压力上升，但载荷达到载荷峰值时，打开所述泄压单元5，使动压腔3中的压力下降，载荷峰值范围为0~3MPa、压力上升时间为2.5~10ms、下降时间为上升时间的2倍，从而产生类三角形载荷的模拟爆炸地冲击扰动，所述模拟爆炸地冲击扰动经动压腔3-传压板10-柔性胶囊2的传递路径进入所述深部岩体模拟材料试件1。
冲击活塞4的结构参见图2，冲击活塞4包括螺母43、活塞44和设有进气口和卸气口的油缸41、活塞44滑动设置在油缸41中，且该活塞44的活塞杆42伸出油缸41外旋接螺母43，使活塞44的行程限定在螺母43与油缸41之间的间距之间，油缸41的活塞端与侧板上的连接孔连通；
泄压单元5的结构参见图3，泄压单元5包括缸筒（51）、调节活塞（54）、卸载活塞（53）、调节弹簧（52）、定位套（57）、定位销（56）和定位弹簧（58），缸筒（51）沿轴向依次设有相互连通的调节活塞（54）腔、卸载活塞（53）腔和定位套（57）腔，且卸载活塞（53）腔和定位套（57）腔的腔壁上分别设有卸载孔（55）和定位销（56），调节活塞（54）腔的开口端连接在油缸的卸气口上，调节活塞（54）、卸载活塞（53）和定位套（57）分别置于调节活塞（54）腔、卸载活塞（53）腔和定位套（57）腔中，且调节活塞（54）的活塞杆伸入到卸载活塞（53）腔与卸载活塞（53）连接，调节弹簧（52）穿套在卸载活塞（53）的活塞杆上，并将卸载活塞（53）压向调节活塞（54）腔和卸载活塞（53）腔之间的连通孔，卸载活塞（53）连接的活塞杆伸入到定位套（57）腔中，与该腔中的定位套（57）连接，定位销（56）置于定位销（56）中，定位弹簧（58）穿套在定位销（56）上，并将定位销（56）一端压触在定位套（57）外圆周侧面上，在卸载活塞（53）带动定位套（57）轴向移动而使定位孔移动至定位销（56）位置时，定位销（56）嵌入该定位孔中，而使卸载活塞（53）轴向定位。
冲击活塞4的冲击结构能够精确调节活塞的运动速度和运动行程，泄压单元5道能精细调节气体通道的流量大小，保证了载荷脉冲的精度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，其特征在于，采用柔性胶囊（2）对深部岩体模拟材料试件（1）模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击方式模拟施加于深部岩体模拟材料试件（1）的爆炸地冲击扰动。
2.根据权利要求1所述的深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，其特征在于，所述深部岩体模拟材料试件（1）置于箱体（11）中，各面覆盖有柔性胶囊（2），所述深部岩体模拟材料试件（1）上面的柔性胶囊（2）上设置有液压冲击装置，各面的柔性胶囊（2）通过各自的注压孔注入液体加压，对深部岩体模拟材料试件（1）模拟施加高地应力环境。
3.根据权利要求2所述的深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，其特征在于，所述液压冲击装置包括冲击活塞（4）、动压腔（3）、泄压单元（5）和传压板（10），所述传压板（10）位于所述动压腔（3）和所述深部岩体模拟材料试件（1）上面的柔性胶囊（2）之间，所述冲击活塞（4）与泄压单元（5）与动压腔（3）连通，所述冲击活塞（4）连接有高压射流发生装置，高压射流发生装置产生的高压射流冲击冲击活塞（4），压缩所述动压腔（3）体积使动压腔（3）中的压力上升，但载荷达到载荷峰值时，打开所述泄压单元（5），使动压腔（3）中的压力下降，从而产生类三角形载荷的模拟爆炸地冲击扰动，所述模拟爆炸地冲击扰动经动压腔（3）-传压板（10）-柔性胶囊（2）的传递路径进入所述深部岩体模拟材料试件（1）。
4.根据权利要求3所述的深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，其特征在于，施加静载时，为保证压力平衡，动压腔（3）内注入与胶囊相同压力的液体。
5.根据权利要求3或4所述的任一深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验方法，其特征在于，所述载荷峰值范围为0~3MPa、压力上升时间为2.5~10ms、下降时间为上升时间的2倍。
6.一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于，包括容置深部岩体模拟材料试件（1）的高强度刚性箱体（11），深部岩体模拟材料试件（1）每个面与所述箱体（11）之间都设有柔性胶囊（2），所述柔性胶囊（2）设有注入液体加压的注压孔，顶面柔性胶囊（2）上设有液压冲击装置。
7.根据权利要求6所述的深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于，所述液压冲击装置包括冲击活塞（4）、动压腔（3）、泄压单元（5）和传压板（10），所述传压板（10）位于所述动压腔（3）和所述深部岩体模拟材料试件（1）上面的柔性胶囊（2）之间，所述冲击活塞（4）与泄压单元（5）与动压腔（3）连通，所述冲击活塞（4）连接有高压射流发生装置，动压腔3也设有液体加压的注压孔。
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