CN107764657A - 模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法，涉及地下工程开挖技术领域。该装置包括钻头，螺旋钻杆，电机，滑块，连接杆，齿条、齿轮，变速电机，导轨，齿轮连接杆，可伸缩支座，岩石试样，轴承，螺旋通道，注液通道，垂直上侧加载块，垂直下侧加载块，水平左侧加载块，水平右侧加载块，水平后侧加载块。试验方法按照以下步骤进行：步骤一、固定岩石试样，步骤二、对岩石试样进行二维加载，步骤三、安装开挖卸荷试验装置，步骤四、模拟巷道机械开挖，步骤五、数据处理并分析。本发明能够实现先加载后开挖的模拟试验并且能够控制巷道开挖卸荷的速率。
Description
技术领域
本发明属于地下工程开挖技术领域，涉及一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法。
背景技术
随着矿山、隧道和地下厂房施工的迅猛发展，由于开采深度的增加，面临的地质条件日趋复杂，地下工程中开挖卸荷引起巷道围岩产生岩爆、挤压大变形和分区破裂化等工程问题引起了国内外学者的广泛关注，成为岩石力学领域研究的热点和难点。在地下工程施工过程中，开挖卸荷实际上是岩体在开挖面的应力得到释放，打破了原有的力学平衡状态，使岩体进行应力调整，产生新的变形。在岩石力学中，主要通过理论分析、室内模型试验和数值模拟三种方法研究地下施工过程的开挖卸荷对巷道围岩稳定性及破坏的影响，室内模型试验主要有两种方式模拟开挖卸荷：先开挖后加载和先加载后开挖。目前，多采用先开挖后加载的室内试验方法来模拟洞壁的破坏过程，但是先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合，因此为了更好的研究巷道围岩的破坏及力学性质，先加载后开挖的试验方法更接近实际工程。
国内关于地下工程开挖卸荷方面的专利，如申请号为201610220535.9，发明名称为“一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置”，公开日：2016年8月17日，公开了一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，该专利通过对含预制孔洞的试样孔内加压，然后卸载孔内压力的方法模拟开挖卸荷，整个试验过程为试样开孔→加载→孔内加压→孔内缷压，无法实现先加载后开挖的试验过程。申请号为201610551010.3，发明名称为“巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法”，公开日：2016年9月7日，公开了一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法，该专利在预制巷道内通过下承压板、上承压板和侧承压板对巷道施加孔内压力，然后卸荷的过程模拟巷道的开挖卸荷，该方法属于先开挖后加载，与工程实践中的开挖卸荷过程不同。申请号为201510228942.X，发明名称为“适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置”，公开日：2015年8月12日，公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，该专利对模型试验中的硐室围岩开挖卸荷全过程进行动态模拟，未涉及岩石试样先加载后开挖的试验过程。申请号为201610028031.7，发明名称为“模拟井巷开挖卸荷的试验方法”，公开日：2016年6月15日，公开了一种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，该专利的试验方法对井巷围岩的逐步、快速卸荷进行真实模拟，体现不同巷道断面形状对围岩变形、裂纹产生及发展的影响，该方法属于先开孔后加载，孔内加卸荷的试验，与现场的施工方式(岩体受力条件下开挖卸荷)不同。
上述专利均没有介绍先加载后开挖的试验方法，来使试验方法更吻合施工前处的应力环境。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法，解决了先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合的问题，可以实现先加载后开挖的模拟试验，实现了自动排出钻孔过程中的岩石碎屑，并且可以控制巷道开挖卸荷的速率。
本发明所采用的技术方案是，模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置包括钻头与螺旋钻杆相连，螺旋钻杆上设有螺旋通道和注液通道，螺旋钻杆置于电机侧端中间位置，电机下端四个角分别置于可伸缩支座上方，可伸缩支座分别与四个滑块相连，滑块置于水平导轨上，滑块与连接杆相连，齿条与连接杆的中间部位相连，轴承与导轨相连，齿轮连接杆穿过轴承，齿轮连接杆上焊有齿轮，齿轮与齿条相啮合，齿轮连接杆与变速电机连接，加载室由垂直上侧加载块、垂直下侧加载块、水平左侧加载块、水平右侧加载块和水平后侧加载块组成，岩石试样置于加载室中。
进一步的，所述钻头、螺旋钻杆、电机、滑块、连接杆和齿条组成行走推进系统。
进一步的，所述钻头与螺旋钻杆螺纹连接。
进一步的，所述可伸缩支座能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短25mm。
进一步的，所述电机型号为YM-118D，变速电机型号为7IK400R-C2F-GH。
本发明所采用的另一技术方案是，模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置的试验方法，按照以下步骤进行：
步骤一、固定岩石试样：将加工好的正方形岩石试样放在TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机由垂直上侧加载块、垂直下侧加载块、水平左侧加载块、水平右侧加载块组成的加载室中，通过试验机的控制系统在垂直方向施加一个10kN的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样，力的大小等于垂直方向的力，本发明中提到的试验机为TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机，垂直方向即试验机Z方向，水平方向即试验机X方向和Y方向；
步骤二、对岩石试样进行二维加载：岩石试样固定在试验机上后，同时以相同的加载速率将垂直方向的应力σv和水平方向的应力σh加载至设定深度处的二维应力水平，用以模拟不同深度的应力环境，同时通过检测系统及数据采集系统，对不同应力进行记载；
步骤三、安装开挖卸荷试验装置：对岩石试样进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样未受力的一侧，即试验机X方向，选取合适直径的钻头，并与螺旋钻杆螺纹连接，再将开挖卸荷试验装置固定，通过可伸缩支座调整开挖卸荷试验装置的高度，使钻头的轴线与岩石试样中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样后侧固定水平后侧加载块，以防在钻孔的过程中岩石试样产生水平滑动而影响试验的进程；
步骤四、模拟巷道机械开挖：岩石试样加载至设定的初始应力水平后，钻头、螺旋钻杆、电机、滑块、连接杆和齿条组成行走推进系统，打开变速电机，通过齿轮转动带动齿条移动，使行走推进系统移动，电机通过螺旋钻杆带动钻头钻取岩石试样，整个试验装置结构简单紧凑，通过改变钻头的直径大小来模拟不同直径的圆形巷道的开挖，在试验过程中，开挖钻孔的推进速度由钻孔的长度与钻孔所用的时间进行计算，通过改变变速电机的转速来改变钻头的推进速率来模拟地下工程的施工进度，进而实现不同速率的开挖卸荷，通过控制钻头切割岩石试样的深度，实现隧道不同开挖卸荷量的模拟，螺旋钻杆上设有螺旋通道用以排出岩石碎屑，螺旋钻杆中间设有注液通道，用于降低钻头工作时的温度；到整个岩石试样完全贯通时，然后向反方向转动变速电机，使钻头完全退出岩石试样，完成二维条件下圆形巷道开挖卸荷模拟，关闭电机；
步骤五、在临空面一侧安装摄像机，用于监控孔洞内洞壁围岩的破坏过程，继续用试验机增加垂直方向的应力σv，此时增加垂直应力是为了模拟巷道的应力调整过程，通过摄像机及声发射系统详细记录洞壁的破坏过程。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)结构简单紧凑，该装置通过齿轮转动带动齿条移动，推动电机，电机通过螺旋钻杆带动钻头钻取岩石试样，整个试验装置结构简单紧凑；(2)自动排渣，该装置在模拟二维受力条件下圆形巷道开挖卸荷的试验过程中，可以通过螺旋钻杆上的螺旋通道自动排出岩石碎屑；(3)适用范围广，该装置在电机四个角与四个滑块之间通过可伸缩支座连接，可伸缩支座可以伸长和缩短，每一节伸长或缩短25mm，可以对不同尺寸(长100×宽100×高100mm，长150×宽150×高150mm，长200×宽200×高200mm，长250×宽250×高250mm，长300×宽300×高300mm)的岩石试样进行开挖卸荷模拟试验，并且通过改变钻头的直径大小来模拟不同直径的圆形巷道的开挖；(4)可实现二维加载条件下的先加载后开挖的模拟试验，该装置结合真三轴试验机，对岩石试样进行二维加载条件下模拟圆形巷道机械开挖卸荷试验，进而实现二维加载条件下的先加载后开挖的模拟试验；(5)可实现圆形巷道不同开挖卸荷速率，本发明结合地下工程施工进度不同，岩体的卸荷速率存在明显差异这一现象，通过改变钻头的推进速率来模拟地下工程的施工进度，进而实现不同速率的开挖卸荷，基于本实验装置的试验方法为研究卸荷速率对巷道围岩变形及破坏的影响提供了新方法；(6)可实现钻头的液氮降温，在试验过程中，液氮对钻头降温之后转化为氮气排到空气中，不用考虑液氮的收集问题，又避免水对岩石材料产生弱化作用；(7)本发明实现二维应力条件下机械钻孔破岩，很好的模拟深部工程机械开挖对巷道洞壁围岩的影响规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明试验装置的俯视图；
图2为本发明试验装置的右视图；
图3为本发明试验装置的正视图；
图4为岩石材料二维受力条件下的示意图；
图5为本发明装置在岩石真三轴试验机上的装配示意图。
图中，1.钻头，2.螺旋钻杆，3.电机，4.滑块，5.连接杆，6.齿条，7.齿轮，8.变速电机，9.导轨，10.齿轮连接杆，11.可伸缩支座，12.岩石试样，13.轴承，14.螺旋通道，15.注液通道，16.垂直上侧加载块，17.垂直下侧加载块，18.水平左侧加载块，19.水平右侧加载块，20.水平后侧加载块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明试验装置的结构如图1-3所示，包括钻头1，钻头1与螺旋钻杆2相连，螺旋钻杆2上设有螺旋通道14和注液通道15，螺旋钻杆2置于电机3侧端中间位置，电机3下端四个角分别置于可伸缩支座11上方，可伸缩支座11分别与四个滑块4相连，滑块4置于水平导轨9上，滑块4与连接杆5相连，齿条6与连接杆5的中间部位相连，轴承13与导轨9相连，齿轮连接杆10穿过轴承13，齿轮连接杆10上焊有齿轮7，齿轮7与齿条6相啮合，齿轮连接杆10与变速电机8连接，加载室由垂直上侧加载块16、垂直下侧加载块17、水平左侧加载块18、水平右侧加载块19和水平后侧加载块20组成，岩石试样12置于加载室中。
钻头1、螺旋钻杆2、电机3、滑块4、连接杆5和齿条6组成行走推进系统，变速电机8带动齿轮7转动，进而使齿条6前后移动，使行走推进系统沿导轨9滑动，电机3为钻头1提供源动力，通过变速电机8为行走推进系统提供源动力，螺旋钻杆2上设有螺旋通道14用以排出岩石碎屑，螺旋钻杆2中间设有注液通道15，用于降低钻头1工作时的温度。钻头1与螺旋钻杆2螺纹连接，便于更换不同直径大小的钻头，四个滑块4安装在两根水平导轨9上，每根水平导轨9上安装有两个滑块4，电机3的四个角与四个滑块4之间通过可伸缩支座11连接，可伸缩支座11能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短25mm，能够对不同尺寸(长100×宽100×高100mm，长150×宽150×高150mm，长200×宽200×高200mm，长250×宽250×高250mm，长300×宽300×高300mm)的岩石试样12进行机械开挖卸荷模拟试验。在螺旋钻头钻孔破岩的过程中，岩石碎屑通过螺旋通道14排出钻孔外，通过注液通道15将液氮注入钻头进行降温。
本发明中选用的电机3型号为YM-118D，该电机最大钻孔直径为118mm，空载转速范围为0-2100r/min，输入功率为1800W，额定电压为220V/50Hz，为了使发明装置的适用范围更广，应选用输入功率较大的电机，用来钻取花岗岩等较硬的岩石，另外还可以加快装置钻孔取芯的推进速度。
本发明中选用的变速电机8型号为7IK400R-C2F-GH，电机可正反转，且该变速电机产品低噪音、低发热、强功率、超耐用。
实施例
一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验方法应用一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，按照以下试验步骤：
步骤一、固定岩石试样12：将加工好的正方形岩石试样12放在TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机由垂直上侧加载块16、垂直下侧加载块17、水平左侧加载块18、水平右侧加载块19组成的加载室中，通过试验机的控制系统在垂直方向施加一个10kN的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样12，力的大小等于垂直方向的力，试验机为TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机，垂直方向为图5中的Z方向即试验机Z方向，水平方向为图5中的X方向和Y方向即试验机X方向和Y方向；
步骤二、对岩石试样12进行二维加载：岩石试样12固定在试验机上后，同时以相同的加载速率将垂直方向的应力σv和水平方向的应力σh加载至设定深度处的二维应力水平，用以模拟不同深度的应力环境，同时通过检测系统及数据采集系统，对不同应力进行记载，岩石试样12二维加载受力图，如图4所示；
步骤三、安装开挖卸荷试验装置：对岩石试样12进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样12未受力的一侧，即X方向，选取合适直径的钻头1，并与螺旋钻杆2螺纹连接，再将开挖卸荷试验装置固定，通过可伸缩支座11调整开挖卸荷试验装置的高度，使钻头1的轴线与岩石试样12中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样12后侧固定水平后侧加载块20，以防在钻孔的过程中岩石试样12产生水平滑动而影响试验的进程；
步骤四、模拟巷道机械开挖：岩石试样12加载至设定的初始应力水平后，钻头1、螺旋钻杆2、电机3、滑块4、连接杆5和齿条6组成行走推进系统，打开变速电机8，通过齿轮7转动带动齿条6移动，使行走推进系统移动，电机3通过螺旋钻杆2带动钻头1钻取岩石试样12，整个试验装置结构简单紧凑，通过改变钻头1的直径大小来模拟不同直径的圆形巷道的开挖，在试验过程中，开挖钻孔的推进速度由钻孔的长度与钻孔所用的时间进行计算。通过改变变速电机8的转速来改变钻头1的推进速率来模拟地下工程的施工进度，进而实现不同速率的开挖卸荷，通过控制钻头1切割岩石试样12的深度，实现隧道不同开挖卸荷量的模拟，螺旋钻杆2上设有螺旋通道14用以排出岩石碎屑，螺旋钻杆2中间设有注液通道15，用于降低钻头工作时的温度；到整个岩石试样12完全贯通时，然后向反方向转动变速电机8，使钻头1完全退出岩石试样12，完成二维条件下圆形巷道开挖卸荷模拟，关闭电机3；
步骤五、数据处理并分析：在临空面一侧安装摄像机，用于监控孔洞内洞壁围岩的破坏过程，继续用试验机增加垂直方向的应力σv，此时增加垂直应力是为了模拟巷道的应力调整过程，通过摄像机及声发射系统详细记录洞壁的破坏过程。
本发明是基于TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机上进行试验，故发明装置受到试验机的影响。试验机Y、Z两个方向上油缸活动范围的限制，为了便于本发明装置的安装，故选取试验机Y、Z两个方向进行加载，在X方向安装本发明装置进行钻孔，如图5所示。本发明的岩石试样12可以是岩石或相似材料中的任一种。本发明电机3通过螺旋钻杆2带动钻头1钻取岩石试样12，整个试验装置结构简单紧凑，可为钻头进行降温，避免了水对岩石材料产生弱化作用，通过改变钻头1的直径大小来模拟不同直径的圆形巷道的开挖，以及改变钻头1的推进速率来模拟地下工程的施工进度，进而实现不同速率的开挖卸荷，通过控制钻头1切割岩石试样12的深度，实现隧道不同开挖卸荷量的模拟，为研究卸荷速率以及卸荷量对巷道围岩变形及破坏的影响提供了新方法，该试验装置结合真三轴试验机，对岩石试样进行二维加载条件下模拟圆形巷道机械开挖卸荷试验，进而实现二维加载条件下的先加载后开挖的模拟试验。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，钻头(1)与螺旋钻杆(2)相连，螺旋钻杆(2)上设有螺旋通道(14)和注液通道(15)，螺旋钻杆(2)置于电机(3)侧端中间位置，电机(3)下端四个角分别置于可伸缩支座(11)上方，可伸缩支座(11)分别与四个滑块(4)相连，滑块(4)置于水平导轨(9)上，滑块(4)与连接杆(5)相连，齿条(6)与连接杆(5)的中间部位相连，轴承(13)与导轨(9)相连，齿轮连接杆(10)穿过轴承(13)，齿轮连接杆(10)上焊有齿轮(7)，齿轮(7)与齿条(6)相啮合，齿轮连接杆(10)与变速电机(8)连接，加载室由垂直上侧加载块(16)、垂直下侧加载块(17)、水平左侧加载块(18)、水平右侧加载块(19)和水平后侧加载块(20)组成，岩石试样(12)置于加载室中。
2.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述钻头(1)、螺旋钻杆(2)、电机(3)、滑块(4)、连接杆(5)和齿条(6)组成行走推进系统。
3.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述钻头(1)与螺旋钻杆(2)螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述可伸缩支座(11)能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短25mm。
5.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述电机(3)型号为YM-118D，变速电机(8)型号为7IK400R-C2F-GH。
6.一种如权利要求1-5所述的模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一、固定岩石试样(12)：将加工好的正方形岩石试样(12)放在TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机由垂直上侧加载块(16)、垂直下侧加载块(17)、水平左侧加载块(18)、水平右侧加载块(19)组成的加载室中，通过试验机的控制系统在垂直方向施加一个10kN的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样(12)，力的大小等于垂直方向的力，试验机为TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机，垂直方向即试验机Z方向，水平方向即试验机X方向和Y方向；
步骤二、对岩石试样(12)进行二维加载：岩石试样(12)固定在试验机上后，同时以相同的加载速率将垂直方向的应力σv和水平方向的应力σh加载至设定深度处的二维应力水平，用以模拟不同深度的应力环境，同时通过检测系统及数据采集系统，对不同应力进行记载；
步骤三、安装开挖卸荷试验装置：对岩石试样(12)进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样(12)未受力的一侧，即试验机X方向，选取合适直径的钻头(1)，并与螺旋钻杆(2)螺纹连接，再将开挖卸荷试验装置固定，通过可伸缩支座(11)调整开挖卸荷试验装置的高度，使钻头(1)的轴线与岩石试样(12)中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样(12)后侧固定水平后侧加载块(20)，以防在钻孔的过程中岩石试样(12)产生水平滑动而影响试验的进程；
步骤四、模拟巷道机械开挖：岩石试样(12)加载至设定的初始应力水平后，钻头(1)、螺旋钻杆(2)、电机(3)、滑块(4)、连接杆(5)和齿条(6)组成行走推进系统，打开变速电机(8)，通过齿轮(7)转动带动齿条(6)移动，使行走推进系统移动，电机(3)通过螺旋钻杆(2)带动钻头(1)钻取岩石试样(12)，通过改变钻头(1)的直径大小来模拟不同直径的圆形巷道的开挖，在试验过程中，开挖钻孔的推进速度由钻孔的长度与钻孔所用的时间进行计算，通过改变变速电机(8)的转速来改变钻头(1)的推进速率来模拟地下工程的施工进度，进而实现不同速率的开挖卸荷，通过控制钻头(1)切割岩石试样(12)的深度，实现隧道不同开挖卸荷量的模拟，螺旋钻杆(2)上设有螺旋通道(14)用以排出岩石碎屑，螺旋钻杆(2)中间设有注液通道(15)，用于降低钻头工作时的温度；到整个岩石试样(12)完全贯通时，然后向反方向转动变速电机(8)，使钻头(1)完全退出岩石试样(12)，完成二维条件下圆形巷道开挖卸荷模拟，关闭电机(3)；
步骤五、数据处理并分析：在临空面一侧安装摄像机，用于监控孔洞内洞壁围岩的破坏过程，继续用试验机增加垂直方向的应力σv，此时增加垂直应力是为了模拟巷道的应力调整过程，通过摄像机及声发射系统详细记录洞壁的破坏过程。
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