CN105891001B - 岩石孔内分段加卸荷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石孔内分段加卸荷试验装置，由孔内液压加卸器组、端面盖板、充填键、液压管路、电液伺服加卸荷系统、控制主机组成；孔内液压加卸荷器组由多个孔内液压加卸荷器上下依次排列而成；孔内液压加卸荷器包括液压囊、囊衬、囊撑、囊栓管和密紧螺母；端面盖板用于传递轴压，其中心位置开设台阶型管槽，管槽与岩样端面间空隙由充填键进行填充。本发明结构紧凑、各功能独立协同，通过调节不同的围压、轴压、分段内压的加载组合，便可在岩样内形成复杂的高应力场，通过控制主机可变换分段卸荷时间间隔、分段卸荷顺序、段内卸荷应力路径等参数，从而研究复杂应力场下岩石的孔内分段卸荷响应特性。

Description

岩石孔内分段加卸荷试验装置

技术领域

本发明涉及一种室内岩石力学试验装置，具体是涉及一种可实现高应力岩石孔内多段分步骤加卸荷的岩石孔内分段加卸荷试验装置。

背景技术

随着经济发展对矿产资源需求量与地层浅部资源储量间的矛盾化现象日益突出，为了实现国民经济的可持续发展，采矿业这一基础产业将转向地层深部，深部开采将是矿山开采的必然趋势和未来长期面临的现状。深部开采实践中出现了一些用现有理论无法合理解释、严重影响深部工程施工和资源高效回收的灾害现象，例如挤压大变形、岩爆、分区破裂、板裂等。这些灾害与深部高地应力环境下开挖卸荷扰动岩体中的能量转移和释放密切相关。然而由于目前缺乏对深部高应力岩体开挖卸荷过程中围岩应力、应变、破裂以及伴随的能量转移等响应过程的透彻认识，致使这些灾害的发生发展机理、防控机制、灾能转化利用的可行性等还比较模糊不清。

已有研究发现深部高应力岩体的开挖卸荷响应主要表现在高地应力条件伴随开挖过程在围岩中产生应力集中和应力释放，从而产生围岩松动区及其动态发展。在特定的岩层条件和开挖断面几何特性下，该过程受到开挖工程所处地应力环境、开挖过程、开挖方法以及开挖范围的影响。地应力环境决定开挖围岩中应力集中和应力释放程度，开挖过程和开挖方法影响应力集中和应力释放发生过程的速度，而开挖范围的进展引导着围岩松动区的动态发展。因此，物理模拟深部高应力岩体伴随动态开挖而产生的围岩响应过程，开展高应力(对应深部高地应力环境)岩石孔内分段卸荷试验，研究岩石在孔内多段分步骤卸荷(对应开挖范围)和段内多样应力路径卸荷(对应开挖方法及开挖过程)条件下的变形、破裂、破坏等响应特性，对理解深部岩体开挖破坏机理、提出防控机制、灾能转化利用等具有重要的科学及工程价值。

目前，可以进行多样应力路径卸荷试验的岩石室内试验装置主要是岩石材料试验机，特别是岩石三轴试验机。岩石常规三轴试验机可进行圆柱型岩样的壁面围压和端面轴压独立多应力路径加卸荷，而岩石真三轴试验机可实现方块型岩样三个方向端面压力的不同应力路径加卸荷，能够用来物理模拟开挖工程围岩中局部岩块的力学过程，但目前的岩石材料试验机不能实现岩石孔内分段和多样应力路径加卸荷，不能模拟开挖围岩整体的卸荷响应过程，更不能进行与隧道和地下空间工程开挖过程相类似的复杂应力场下岩石孔内分段卸荷试验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现岩石孔内分段加载、多段分步骤卸荷和段内多样应力路径卸荷，能够进行高应力岩石动态开挖卸荷试验的岩石孔内分段加卸荷试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的岩石孔内分段加卸荷试验装置，包括孔内液压加卸器组、端面盖板、充填键、液压管路、电液伺服加卸荷系统和控制主机，所述的孔内液压加卸荷器组是由多个沿岩样中心孔洞依次排列的孔内液压加卸荷器组成的多行单列组阵；每个所述的孔内液压加卸荷器的结构是：液压囊设置在囊撑上，囊栓管连接在所述的液压囊上，囊撑的中心为用于所述的囊栓管和所述的液压管路通过的通道；所述端面盖板的中心位置开有供所述的液压管路通过的台阶型管槽；所述的台阶型管槽与岩样端面间空隙由所述的充填键进行填充；每个所述的孔内液压加卸荷器的所述的囊栓管通过所述的液压管路连接有一个所述的电液伺服加卸荷系统，所述的电液伺服加卸荷系统与所述的控制主机通信连接。

在所述的液压囊与所述的囊撑之间设有囊衬。

所述的囊栓管采用密紧螺母连接在所述的液压囊上。

所述的孔内液压加卸荷器组包括上位孔内液压加卸荷器、中位孔内液压加卸荷器和下位孔内液压加卸荷器，所述的电液伺服加卸荷系统包括分别与所述的上位孔内液压加卸荷器、中位孔内液压加卸荷器和下位孔内液压加卸荷器通过所述的液压管路连接的上位电液伺服加卸荷系统、中位电液伺服加卸荷系统和下位电液伺服加卸荷系统。

所述的液压囊呈闭合的环筒形，由具有柔韧性和气密性的内外两个环筒面和两端的两个半圆环面围成一个液压腔。

所述的囊衬具有未闭合段，未闭合段用于放置所述的液压囊；所述的囊衬两端的两个半圆环面压合在所述的液压囊和所述的囊撑之间。

所述的囊撑具有未闭合段，未闭合段为所述的液压囊和所述的囊衬的膨胀提供空间。

采用上述技术方案的岩石孔内分段加卸荷试验装置，孔内液压加卸荷器组是由多个沿岩样中心孔洞依次排列的孔内液压加卸荷器组成的多行单列组阵；孔内液压加卸荷器主要包括用于将腔内液压均匀作用于岩样孔洞内壁的液压囊、用于保护液压囊防止其被岩石碎屑损伤和防止液压囊在高压力下从预留的允许孔壁收缩的变形间隙中挤出的囊衬、用于限制液压囊在径向向孔洞中心和在轴向膨胀而使液压囊腔内液压能够均匀作用于岩样孔洞内壁的囊撑、用于将电液伺服加卸荷系统内的液压油导流到液压囊内的囊栓管、以及用于将囊栓管与液压囊紧密连接的密紧螺母；所述孔内液压加卸荷器呈圆筒状，中间含有用于囊栓管和液压管路通过的通道。

端面盖板用于将岩石三轴试验机的轴压传递到岩样端面，其中心位置开有供液压管路通过的台阶型管槽；管槽与岩样端面间空隙由充填键进行填充；并且充填键也用来保证端面盖板与岩样端面充分接触，从而使轴压能够被均匀作用于岩样端面。

相对于岩石常规三轴试验机和真三轴试验机分别所需要的方块型岩样和圆柱型岩样，所述端面盖板需要分别加工成方形和圆形。

为了实现岩石孔内独立分段加卸荷，所述电液伺服加卸荷系统的数量、管路条数与孔内液压加卸荷器组内加卸荷器的数量相等，以孔内液压加卸荷器组内的上、中、下三个孔内液压加卸荷器为例，电液伺服加卸荷系统也有上、中、下三个系统组成，分别对相应的孔内液压加卸荷器进行独立的加卸荷，从而保证岩石孔内壁面能够实现分段加卸载。

所述控制主机与各个电液伺服加卸荷系统连接，用于对岩石孔内分段卸荷装置的输出压力、加载速率、卸荷速率进行动态实时监测和调控，从而实现岩石孔内分段加载、多段分步骤卸荷和段内多样(线性和非线性)应力路径卸荷。

进一步，所述岩石孔内分段加卸荷试验装置与岩样装配好后放置到岩石常规三轴或者真三轴试验机的加载腔内进行轴压、围压和内压耦合压力下高应力岩石的孔内分段卸荷响应特性试验。

由于采用上述技术方案，本发明岩石孔内分段加卸荷试验装置具有以下优点：

⑴、密封性好

该装置通过液压囊将电液伺服系统内的液压作用在岩样中心圆柱型孔洞的内壁上，液压囊本身具有很好的气密性，同时液压囊可使液压介质与岩样隔离，可避免液压介质侵入岩石孔隙或者微裂隙内而影响岩石力学特性，防止液压介质从岩样渗出，整个装置密封性好。

⑵、适应性强

该装置只要将端面盖板相应于圆柱型岩样和方块岩样分别加工成圆形和方形，便可分别适用于岩石常规三轴试验机和真三轴试验机。

⑶、可结合岩石三轴试验机进行岩石轴压、围压和内压耦合加载

该装置结合岩石三轴试验机，可分别对轴压、围压和分段内压进行独立控制，通过调节岩样轴压、围压和内压的耦合加载组合，便可使岩样在分段卸荷试验前处于不同的应力场下，从而模拟深部高应力岩体的复杂应力场分布。

⑷、可实现岩石孔内多段分步骤卸荷

该装置中的各个孔内液压加卸荷器都有与之相应的独立电液伺服加卸荷系统，并且各加卸荷器分别依次作用于岩样孔洞内壁的不同孔段，因此通过依次多步分别独立控制各加卸荷器的卸荷过程，便可实现岩石孔内多段分步骤卸荷，从而模拟岩体的不同开挖范围。

⑸、可实现岩石孔段内多样应力路径强卸荷

该装置中的各个孔内液压加卸荷器通过与之相应的电液伺服系统对岩样中心孔洞壁面的不同孔段进行加卸荷，并配置有具有动态调速能力的快速卸压系统，能够实现岩石各个孔段内线性和非线性多样应力路径强卸荷，从而模拟不同的岩体开挖方法和开挖过程。

综上所述，本发明是一种密封性好、适应性强、可结合岩石三轴试验机进行岩石外压(轴压和围压)和分段内压耦合加载、可实现岩石孔内多段分步骤卸荷、可实现岩石孔段内多样应力路径强卸荷的岩石孔内分段加卸荷试验装置。

附图说明

图1为本发明的孔内液压加卸荷器结构图。

图2为沿图1中Ⅱ-Ⅱ线剖示图。

图3为本发明装配在岩样中的截面结构示意图。

图4为沿图3中Ⅳ-Ⅳ线剖示图。

图5为本发明装配在岩样中的俯视示意图。

图6为本发明装配在岩石真三轴试验机上的结构图。

图中：1—囊撑；2—囊衬；3—液压囊；4—通道；5—密紧螺母；6—囊栓管；7—下位孔内液压加卸荷器；8—中位孔内液压加卸荷器；9—上位孔内液压加卸荷器；10—液压管路；11—端面盖板；12—台阶型管槽；13—充填键；14—岩样；15—圆柱型岩样；16—方块型岩样；17—下位电液伺服加卸荷系统；18—中位电液伺服加卸荷系统；19—上位电液伺服加卸荷系统；20—控制主机；21—轴向上加载板；22—轴向下加载板；23—水平左加载板；24—水平右加载板；25—水平前加载板；26—水平后加载板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参见图1、图2、图3、图4和图5，一种岩石孔内分段加卸荷试验装置，包括孔内液压加卸器组、端面盖板11、充填键13、液压管路10、电液伺服加卸荷系统和控制主机20，孔内液压加卸荷器组是由多个沿岩样中心孔洞依次排列的孔内液压加卸荷器组成的多行单列组阵；端面盖板11的中心位置开有供液压管路10通过的台阶型管槽12；台阶型管槽12与岩样14端面间空隙由充填键13进行填充；每个孔内液压加卸荷器的囊栓管6通过液压管路10连接有一个电液伺服加卸荷系统，电液伺服加卸荷系统与所述的控制主机20通信连接。

孔内液压加卸荷器组是由多个沿岩样中心孔洞依次排列的孔内液压加卸荷器组成的多行单列组阵；每个孔内液压加卸荷器主要包括液压囊3、囊衬2、囊撑1、囊栓管6和密紧螺母5，液压囊3设置在囊撑1上，在液压囊3与囊撑1之间设有囊衬2，囊栓管6采用密紧螺母5连接在液压囊3上，囊撑1的中心为用于囊栓管和液压管路通过的通道4。

端面盖板11用于传递轴压，其中心位置开有供液压管路通过的台阶型管槽12；台阶型管槽12与岩样14端面间空隙由充填键13进行填充；充填键13保证端面盖板11与岩样14端面充分接触，从而使轴压均匀作用于岩样14端面。每个孔内液压加卸荷器通过液压管路10连接有一个电液伺服加卸荷系统，电液伺服加卸荷系统与控制主机20通信连接。

电液伺服加卸荷系统的数量、所述液压管路条数与所述孔内液压加卸荷器组内加卸荷器的数量相等，以孔内液压加卸荷器组内的上位孔内液压加卸荷器9、中位孔内液压加卸荷器8和下位孔内液压加卸荷器7三个为例，电液伺服加卸荷系统也有分别与上位孔内液压加卸荷器9、中位孔内液压加卸荷器8和下位孔内液压加卸荷器7通信连接的上位电液伺服加卸荷系统19、中位电液伺服加卸荷系统18、下位电液伺服加卸荷系统17三个系统组成，分别对相应的岩样孔段进行加卸荷。

控制主机20动态实时监测和调控岩石孔内分段加卸荷装置的输出压力、加载速率、卸荷速率等参数，通过与各个电液伺服加卸荷系统连接依次多步分别独立控制各加卸荷器的卸荷过程，从而实现岩石孔内多段分步骤卸荷和段内多样(线性和非线性)应力路径卸荷。

进一步，岩样14及其中心圆柱型孔洞、各孔内液压加卸荷器、端面盖板11的中轴线在试验过程中要保证始终重合，从而保证岩石孔内分段卸荷实验装置各部件间能够始终密切贴合，不至于出现缝隙而使液压囊3在高压力条件下从中挤出。

进一步，液压囊3具有很好的柔韧性和气密性，呈闭合的环筒形，由内外两个环筒面和两端的两个半圆环面围成一个液压腔，能够在腔内液压作用下产生均匀变形并始终保持良好的气密性，从而保证电液伺服加卸荷系统的输出压力能够被均匀作用于岩样孔洞的壁面。

进一步，囊衬2由高强度、具有良好柔韧性的材料制成，形状与液压囊3相似，只是没有内环筒面而未闭合，未闭合段用于将液压囊3放至其内腔；囊衬2两端的两个半圆环面压合在液压囊3和囊撑1之间，外环筒面膨胀后直接与岩样孔洞内壁接触，将液压囊3的压力传递到孔壁，并保护液压囊3不受破坏后的岩块损伤；囊衬2外环筒面与两端半圆环面接合处需要具有很好的强度和刚度，防止液压囊3在高压力下从在囊撑1外缘与岩样孔壁间预留的允许孔壁收缩的变形间隙中挤出而破裂。

进一步，囊撑1由强度和刚度极高的金属材料制成，其形状与液压囊3形状相似，只是没有外环筒面而未闭合，未闭合段为液压囊3和囊衬2的膨胀提供空间；囊撑1两端的两个半圆环面用于限制液压囊3和囊衬2的轴向膨胀，而内圆筒面用于限制液压囊3的径向向内膨胀；囊撑1外缘与岩样孔壁间预留有微小的间隙，用来为孔壁在内压卸荷过程中向内收缩变形提供空间。

进一步，所述岩石孔内分段加卸荷试验装置与岩样14装配好后放置到岩石常规三轴或者真三轴试验机的加载腔内进行轴压、围压和内压耦合压力下高应力岩石的孔内分段卸荷响应特性试验；相对于岩石常规三轴试验机和真三轴试验机分别所需要的圆柱型岩样15和方块型岩样16，所述端面盖板11需要分别加工成圆形和方形；以岩石真三轴试验机为例，其加载腔由轴向上加载板21、轴向下加载板22、水平左加载板23、水平右加载板24、水平前加载板25和水平后加载板26所围成，轴向上下加载板用于施加轴向压力即Z向压力，水平左右加载板用于施加水平X向压力，而水平前后加载板用于施加水平Y向压力。

参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，以在真三轴试验机进行岩石孔内分段卸荷试验为例，本发明的工作原理及过程如下：

⑴、加工中心含圆柱型孔洞的方块型的岩样14；

⑵、装配孔内液压加卸荷器，先将液压囊3放入囊衬2内，然后一并套至囊撑1内，然后安装囊栓管6，之后旋紧密紧螺母5；

⑶、将装配好的孔内液压加卸荷器先下后上依次放入岩样14的孔洞内组成孔内液压加卸荷器组，然后将各加卸荷器与其对应的电液伺服加卸荷系统通过液压管路10连通；

⑷、将端面盖板11放置到岩样上端面上，并使液压管路从台阶型管槽12中通过，然后用充填键13将台阶型管槽12与岩样14的端面间的空隙填充；

⑸、将装配好的孔内分段加卸荷试验装置放置到岩石真三轴试验机的加载腔内，岩样上、下端面分别与轴向上加载板21和轴向下加载板22对齐，岩样左、右壁面分别与水平左加载板23和水平右加载板24对齐，而岩样前、后壁面分别与水平前加载板25和水平后加载板26对齐；

⑹、将控制主机20与各电液伺服加卸荷系统相连，并调试成功；

⑺、通过岩石真三轴试验机的X轴、Y轴、Z轴加载系统分别控制岩样X方向围压、Y方向围压和Z方向轴压的加载大小和加载过程，通过本发明的岩石孔内分段加卸荷试验装置控制岩样孔洞内不同孔段内压的加载大小和加载过程，从而通过调节不同的两向围压、轴压、分段内压的加载组合，便可在岩样内形成复杂的高应力场，从而模拟深部岩体的复杂地应力场；

⑻、沿岩样中心孔洞按不同的顺序将各孔段上所受的内压依次卸除，通过控制主机变换分段卸荷时间间隔(对应各开挖阶段间的时滞参数)、分段卸荷顺序(模拟地下空间的开挖顺序，对应不同的开挖范围)、段内卸荷应力路径(模拟不同的开挖方法和开挖过程)等参数，从而研究复杂应力场下岩石的孔内分段卸荷响应(应力应变、破裂、破坏等)特性。

Claims (7)

1.一种岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：包括孔内液压加卸器组、端面盖板(11)、充填键(13)、液压管路(10)、电液伺服加卸荷系统和控制主机(20)，所述的孔内液压加卸荷器组是由多个沿岩样中心孔洞依次排列的孔内液压加卸荷器组成的多行单列组阵；每个所述的孔内液压加卸荷器的结构是：液压囊(3)设置在囊撑(1)上，囊栓管(6)连接在所述的液压囊(3)上，所述的囊撑(1)的中心为用于所述的囊栓管(6)和所述的液压管路(10)通过的通道(4)；所述端面盖板(11)的中心位置开有供所述的液压管路(10)通过的台阶型管槽(12)；所述的台阶型管槽(12)与岩样端面间空隙由所述的充填键(13)进行填充；每个所述的孔内液压加卸荷器的所述的囊栓管(6)通过所述的液压管路(10)连接有一个所述的电液伺服加卸荷系统，所述的电液伺服加卸荷系统与所述的控制主机(20)通信连接。

2.根据权利要求1所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：在所述的液压囊(3)与所述的囊撑(1)之间设有囊衬(2)。

3.根据权利要求1或2所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：所述的囊栓管(6)采用密紧螺母(5)连接在所述的液压囊(3)上。

4.根据权利要求1或2所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：所述的孔内液压加卸荷器组包括上位孔内液压加卸荷器(9)、中位孔内液压加卸荷器(8)和下位孔内液压加卸荷器(7)，所述的电液伺服加卸荷系统包括分别与所述的上位孔内液压加卸荷器(9)、中位孔内液压加卸荷器(8)和下位孔内液压加卸荷器(7)通过所述的液压管路(10)连接的上位电液伺服加卸荷系统(19)、中位电液伺服加卸荷系统(18)和下位电液伺服加卸荷系统(17)。

5.根据权利要求1或2所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：所述的液压囊(3)呈闭合的环筒形，由具有柔韧性和气密性的内外两个环筒面和两端的两个半圆环面围成一个液压腔。

6.根据权利要求2所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：所述的囊衬(2)具有未闭合段，未闭合段用于放置所述的液压囊(3)；所述的囊衬(2)两端的两个半圆环面压合在所述的液压囊(3)和所述的囊撑(1)之间。

7.根据权利要求2所述的岩石孔内分段加卸荷试验装置，其特征是：所述的囊撑(1)具有未闭合段，未闭合段为所述的液压囊(3)和所述的囊衬(2)的膨胀提供空间。