CN107764658B - 模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置及方法。该装置包括钻孔取芯钻头，降温注液孔，注液控制开关，密封控制阀，钻杆，电机，滑块，连接杆，齿条，齿轮，变速电机，导轨，液氮瓶，轴承，可伸缩支座，岩石试样，管道，转动连接杆。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、模拟圆形巷道开挖钻孔，步骤五、数据分析与处理。本发明在钻取岩石试样的过程中打开注液控制开关通过降温注液孔向钻孔取芯钻头注入液氮来降低钻头的温度，避免了用水降温容易弱化岩石材料的相关性能这一问题。

Description

模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置及方法
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圆形巷道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，且传统方法主要采用水进行降温，而含水率对岩石的力学特征及破坏特征具有一定的影响，进而影响试验结果。
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巷道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，并在钻取岩石试样的过程中打开注液控制开关通过降温注液孔向钻孔取芯钻头注入液氮来降低钻头的温度，避免了用水降温容易弱化岩石材料的相关性能这一问题。
本发明所采用的技术方案是，试验装置包括电机，钻杆设于电机侧端中间位置，钻杆上设有密封控制阀，密封控制阀内部设有管道，管道一端与降温注液孔相连，管道另一端与液氮瓶相连，注液控制开关设于管道上，钻孔取芯钻头一端与钻杆相连接，降温注液孔设置在该端，钻孔取芯钻头另一端与岩石试样相接触，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，滑块置于水平的导轨上，滑块与连接杆相连，齿条与连接杆的中间部位相连，轴承固定于导轨的外侧，转动连接杆穿过轴承和齿轮，齿轮与齿条相啮合，转动连接杆的一端与变速电机连接，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，所述钻孔取芯钻头、降温注液孔、注液控制开关、密封控制阀、钻杆、电机、滑块、连接杆和齿条组成行走推进系统。
进一步的，所述电机四个角与四个滑块之间通过可伸缩支座连接。
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2.5cm。
进一步的，所述钻孔取芯钻头内部是一个空腔体。
进一步的，所述钻孔取芯钻头与钻杆螺纹连接。
本发明所采用的另一技术方案是，模拟二维加载液氮降温巷道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较小的力，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，试验机为TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机，垂直方向即为试验机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，用以能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，即试验机方向，选取合适直径的钻孔取芯钻头，并与钻杆螺纹连接，调整圆形巷道开挖卸荷试验装置的高度，使钻孔取芯钻头的轴线与岩石试样中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样的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、模拟圆形巷道开挖钻孔：开挖卸荷试验装置安装完成后，预先打开注液控制开关通过降温注液孔向钻孔取芯钻头中注入一定量的液氮，钻孔取芯钻头、降温注液孔、注液控制开关、密封控制阀、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，电机通过钻杆带动钻孔取芯钻头转动，到整个岩石试样完全贯通时，关闭注液控制开关停止注入液氮，然后反方向转动变速电机，使钻孔取芯钻头完全退出岩石试样，关闭电机，模拟巷道开挖钻孔过程结束；
步骤五、数据分析与处理：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，继续增加垂直应力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。
本发明提供一种模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置及方法，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)、液氮降温避免弱化岩石材料性质
该装置在钻取岩石试样的过程中打开注液控制开关通过降温注液孔向钻孔取芯钻头中注入液氮来降低钻头的温度，避免用水降温容易弱化岩石材料相关性质的缺陷。
(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，并且通过改变钻孔取芯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，通过改变钻孔取芯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，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。
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是本试验装置的俯视图；
图2是本试验装置的左视图；
图3是本试验装置的主视图；
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6为不同垂直应力下洞壁的破坏情况。
图中，1.钻孔取芯钻头，2.降温注液孔，3.注液控制开关，4.密封控制阀，5.钻杆，6.电机，7.滑块，8.连接杆，9.齿条，10.齿轮，11.变速电机，12.导轨，13.液氮瓶，14.轴承，15.可伸缩支座，16.岩石试样，17.管道，18.转动连接杆，19.垂直上侧加载块，20.垂直下侧加载块，21.水平左侧加载块，22.水平右侧加载块，23.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，包括电机6，钻杆5设于电机6侧端中间位置，钻杆5上设有密封控制阀4，密封控制阀4内部设有管道17，管道17一端与降温注液孔2相连，管道17另一端与液氮瓶13相连，注液控制开关3设于管道17上，钻孔取芯钻头1一端与钻杆5相连接，降温注液孔2设置在该端，钻孔取芯钻头1另一端与岩石试样16相接触，电机6下端四个角分别置于可伸缩支座15上方，可伸缩支座15分别与四个滑块7相连，滑块7置于水平的导轨12上，滑块7与连接杆8相连，齿条9与连接杆8的中间部位相连，轴承14固定于导轨12的外侧，转动连接杆18穿过轴承14和齿轮10，齿轮10与齿条9相啮合，转动连接杆18的一端与变速电机11连接，加载室由垂直上侧加载块19、垂直下侧加载块20、水平左侧加载块21、水平右侧加载块22和水平后侧加载块23组成，岩石试样16置于加载室中。
钻孔取芯钻头1、降温注液孔2、注液控制开关3、密封控制阀4、钻杆5、电机6、滑块7、连接杆8和齿条9组成行走推进系统，变速电机11带动齿轮10转动，进而使齿条9前后移动，使行走推进系统沿导轨12滑动，电机6为钻孔取芯钻头1提供源动力，变速电机11为行走推进系统提供源动力，钻孔取芯钻头1与钻杆5螺纹连接，便于更换不同直径大小的钻头，四个滑块7安装分别在两根水平导轨12上，每根水平导轨12上安装有两个滑块7，电机6四个角与四个滑块7之间通过可伸缩支座15连接，可伸缩支座15能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短2.5cm，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16进行开挖卸荷模拟试验。
钻孔取芯钻头1内部是一个空腔体，在钻取的过程中岩石并未破碎，最终取出圆柱状的岩心。在钻孔取芯钻头1与电机6连接的部位，设有降温注液孔2，液氮通过管道17经降温注液孔2进入钻孔取芯钻头1的腔体内对钻头进行降温。钻孔取芯钻头1钻取的岩石最终随着钻头一起取出。
本发明中选用的电机6的型号为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。
本发明的试验装置与TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验机结合，在X、Y和Z三个方向上由垂直上侧加载块19、垂直下侧加载块20、水平左侧加载块21、水平右侧加载块22和水平后侧加载块23组成加载室，在垂直上下加载块用于施加垂直压力即Z向压力，水平左右加载块用于施加水平压力即Y向压力，在水平方向前侧安装本发明装置。
本发明所用的变速电机11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圆形巷道开挖卸荷的试验方法应用一种模拟二维加载液氮降温圆形巷道开挖卸荷的试验装置，包括以下试验步骤：
步骤一、固定岩石试样16：将加工好的正方形岩石试样16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19、垂直下侧加载块20、水平左侧加载块21、水平右侧加载块22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较小的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样16，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16进行二维加载：岩石试样16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，用以能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16二维加载受力图，如图4所示；
步骤三、安装开挖卸荷试验装置：对岩石试样16进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样16未受力的一侧，即试验机X方向，如图5所示，选取合适直径的钻孔取芯钻头1，并与钻杆5螺纹连接，调整圆形巷道开挖卸荷试验装置的高度，使钻孔取芯钻头1的轴线与岩石试样16中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样16后侧固定水平后侧加载块23，以防在钻孔的过程中岩石试样16产生水平滑动而影响试验的进程；
步骤四、模拟圆形巷道开挖钻孔：开挖卸荷试验装置安装完成后，预先打开注液控制开关3通过降温注液孔2向钻孔取芯钻头1中注入一定量的液氮，钻孔取芯钻头1、降温注液孔2、注液控制开关3、密封控制阀4、钻杆5、电机6、滑块7、连接杆8和齿条9组成行走推进系统，打开变速电机11，通过齿轮10转动带动齿条9移动，使行走推进系统移动，电机6通过钻杆5带动钻孔取芯钻头1转动，到整个岩石试样16完全贯通时，关闭注液控制开关3停止注入液氮，然后反方向转动变速电机11，使钻孔取芯钻头1完全退出岩石试样16，关闭电机6，模拟巷道开挖钻孔过程结束；
步骤五、数据分析与处理：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，继续增加垂直应力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，不同垂直应力下围岩破坏情况如图6所示，图6中给出某一应力状态下洞壁的破坏情况，当垂直应力为71.9MPa时，洞壁右侧开始出现颗粒弹射现象，垂直应力为101.4MPa时，洞壁右侧鼓起，并且岩片从中间折断，垂直应力加载至130.4MPa时，左右两侧均产生岩片剥落现象，垂直应力加载至140MPa时，洞壁左侧喷出大量岩屑，发生强烈岩爆。图6为一个具体的实例，在实际试验过程中，洞壁的破坏情况受到应力水平及加载速率等因素的影响，因此，图6中洞壁的破坏情况仅作为参考。
本发明通过钻孔取芯钻头1、降温注液孔2、注液控制开关3、密封控制阀4、钻杆5、电机6、滑块7、连接杆8和齿条9组成行走推进系统，通过齿轮10转动齿条9移动，电机通过钻杆5带动钻孔取芯钻头1钻取岩石试样16，整个试验装置结构简单紧凑，通过控制注液控制开关3通过降温注液孔向钻孔取芯钻头1注入液氮来降低钻孔取芯钻头1的温度，解决了用水降温容易弱化岩石材料相关性能的问题。
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 (3)

1.模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，试验装置包括电机（6），钻杆（5）设于电机（6）侧端中间位置，钻杆（5）上设有密封控制阀（4），密封控制阀（4）内部设有管道（17），管道（17）一端与降温注液孔（2）相连，管道（17）另一端与液氮瓶（13）相连，注液控制开关（3）设于管道（17）上，钻孔取芯钻头（1）一端与钻杆（5）相连接，降温注液孔（2）设置在该端，钻孔取芯钻头（1）另一端与岩石试样（16）相接触，钻孔取芯钻头（1）内部是一个空腔体，电机（6）下端四个角分别置于可伸缩支座（15）上方，可伸缩支座（15）分别与四个滑块（7）相连，滑块（7）置于水平的导轨（12）上，滑块（7）与连接杆（8）相连，齿条（9）与连接杆（8）的中间部位相连，轴承（14）固定于导轨（12）的外侧，转动连接杆（18）穿过轴承（14）和齿轮（10），齿轮（10）与齿条（9）相啮合，转动连接杆（18）的一端与变速电机（11）连接，加载室由垂直上侧加载块（19）、垂直下侧加载块（20）、水平左侧加载块（21）、水平右侧加载块（22）和水平后侧加载块（23）组成，岩石试样（16）置于加载室中；
然后按照以下步骤进行：
步骤一、固定岩石试样（16）：将加工好的正方形岩石试样（16）放在试验机由垂直上侧加载块（19）、垂直下侧加载块（20）、水平左侧加载块（21）、水平右侧加载块（22）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较小的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样（16），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，垂直方向即为试验机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（16）进行二维加载：岩石试样（16）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σ v和水平方向的应力σ h加载至设定深度处的二维应力水平，能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（16）进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样（16）未受力的一侧，即试验机X方向，选取合适直径的钻孔取芯钻头（1），并与钻杆（5）螺纹连接，调整圆形巷道开挖卸荷试验装置的高度，使钻孔取芯钻头（1）的轴线与岩石试样（16）中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样的后侧固定水平后侧加载块（23），以防在钻孔的过程中岩石试样（16）产生水平滑动而影响试验的进程；
步骤四、模拟圆形巷道开挖钻孔：开挖卸荷试验装置安装完成后，预先打开注液控制开关（3）通过降温注液孔（2）向钻孔取芯钻头（1）中注入一定量的液氮，钻孔取芯钻头（1）、降温注液孔（2）、注液控制开关（3）、密封控制阀（4）、钻杆（5）、电机（6）、滑块（7）、连接杆（8）和齿条（9）组成行走推进系统，打开变速电机（11），通过齿轮（10）转动带动齿条（9）移动，使行走推进系统移动，电机（6）通过钻杆（5）带动钻孔取芯钻头（1）转动，到整个岩石试样（16）完全贯通时，关闭注液控制开关（3）停止注入液氮，然后反方向转动变速电机（11），使钻孔取芯钻头（1）完全退出岩石试样（16），关闭电机（6），模拟巷道开挖钻孔过程结束；
步骤五、数据分析与处理：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，继续增加垂直应力σ v，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。
2.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，所述可伸缩支座（15）能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短2.5cm。
3.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，所述钻孔取芯钻头（1）与钻杆（5）螺纹连接。
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