CN108956274A - 一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置及方法，包括荷载系统、数据采集系统以及透明岩。荷载系统由液压千斤顶、加载杆、加载板、X向伺服作动器、Y向伺服作动器组成，所述加载板与加载杆连接；数据采集系统由激光器、CCD相机、计算机组成；透明岩中设有预留孔洞。本发明解决了冲击岩爆过程中破坏面上应力、应变、位移不可见的难题，实现了冲击岩爆过程的可视化观测，试验装置简单、经济可行性高。

Description

一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及工程试验技术领域，尤其涉及一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置及方法。

背景技术

深部开采岩体处于高地应力、高地温、高岩溶水压和长期工程扰动力作用的复杂力学环境中，是多向介质、多场耦合作用的典型工程，而岩爆这种典型的重大动力学突变灾害正是在多相介质、多场耦合相互作用下的非线性动力学过程。一般地，岩爆可分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型，冲击岩爆是指深部岩土受静荷载和冲击荷载共同作用下所致，对其力学模型和动力学灾变机理的研究并提出有效的预测和防治方法是岩石力学界的重要难题之一。

在本发明前，中国申请发明专利“一种用于模拟深埋硐室岩爆的试验装置及方法”（申请号：201710322478.X）公布了一种由弹性加载装置、试验架、试验模型及约束装置组成的试验装置，该装置可通过蝶形弹簧片发生相对翻转来实现试验模型围岩压力的卸载，装置简单易操作。但该发明技术中围岩所处的应力状态与真实状态相差太大，不能很好模拟实际工程中岩土体的状态，并且由于岩体的不透明性，难以对岩爆破坏过程中岩体的应力应变及位移变化进行可视化观测，因而具有一定的局限性。

透明岩是由物理力学性质与天然岩体相似的透明颗粒材料混和具有相同折射率的液体制备而成，因制备过程所需的固、液两相材料的折射率相同而呈现透明状，并且其物理力学性质与天然岩体相似；透明岩因其具备透明可视性好、制备容易、与岩石性质相似等优点在土木工程试验领域得到了广泛的应用。因此，利用透明岩材料，提出一种可实现冲击岩爆破坏过程可视化观测的试验装置可就显得尤为必要了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置及方法，解决了冲击岩爆破坏过程中破坏面应力、应变、位移不可见的难题，实现了冲击岩爆破坏过程可视化观测的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，包括荷载系统、数据采集系统以及透明岩4。

所述荷载系统由液压千斤顶5、加载杆7、加载板8、X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14组成，所述加载板8与加载杆7连接；

数据采集系统由激光器2、CCD相机3、计算机1组成；

透明岩4中设有预留孔洞12。

所述透明岩4内部设有预制结构面6。

所述的加载杆7为4~6根。

所述的加载板8为折射率与透明岩4一致的高强度石英玻璃。

所述激光器2固定在X向伺服作动器11位于加载杆7之间的外表面。

所述加载板8与透明岩4之间涂抹一层润滑油15。

所述透明岩4与底板9之间涂抹一层润滑油15。

所述的底板9为折射率与透明岩4一致的高强度石英玻璃。

所述支架10各杆件、板之间通过六角螺栓13进行固定相连。

所述的透明岩4放置于底板9上。

所述的透明岩4为液体石蜡和正十三烷的混合溶液与硅粉按一定比例混合、搅拌、抽真空、入模、拆模制成。

所述的液压千斤顶5与计算机1相连，可通过计算机1利用记载杆对加载板8施加随时间变化的应力。

所述的X向伺服作动器11可通过加载杆7对加载板8施加随时间变化的应力。

所述的X向伺服作动器11可通过加载杆7对加载板8施加随时间变化的应力。

所述的计算机图像处理软件为PIV。

一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验方法，包括如下步骤：

1)按照试验要求制备有预制结构面6的透明岩4；

2)将透明岩4放置于底板9上，并组装相应的荷载系统和数据采集系统；

3)利用荷载系统对透明岩4施加三向应力一段时间后，保持轴向和Y向应力不变，通过X向伺服作动器11缓慢撤去X向应力，透明岩4逐渐发生岩爆破坏，并用数据采集系统记录该过程；

4)利用计算机图像处理软件对所获得的图像数据进行分析。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明装置简单，操作可行性高，可拆卸反复使用；

2)本发明克服了传统试验装置中岩体应力状态过于简单的缺点，并且通过在试验所用透明岩中设置预制结构面6来模拟真实岩体的状态，更符合工程实际；

3)本发明装置创新性地将透明岩技术与计算机图像处理技术相结合并应用于岩爆室内模拟，解决了冲击岩爆破坏过程中破坏面应力、应变、位移不可见的难题，实现了冲击岩爆破坏过程可视化观测的目的。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图中标记：1为计算机；2为激光器；3为CCD相机；4为透明岩；5为液压千斤顶；6为预制结构面；7为加载杆；8为加载板；9为底板；10为支架；11为X向伺服作动器；12为预留孔洞；13为六角螺栓；14为Y向伺服作动器；15为润滑油。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，如图1所示，包括荷载系统、数据采集系统以及透明岩4。

所述荷载系统由液压千斤顶5、加载杆7、加载板8、X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14组成，所述加载板8与加载杆7连接；本实例中所使用的液压千斤顶5为上海力良液压千斤顶5制造有限公司生产的MJM 系列电动载重复位液压千斤顶5，其额定工作吨位：5-1000Ton，额定工作行程：100-3000 mm，额定工作压力：32-65Mpa。该液压千斤顶5提供数十种随时间简谐波式变化的加载和卸载方式，可满足本试验装置对各种复杂应力状态的模拟。

所述的加载杆7为4~6根，本实例中所使用的加载杆7为4根，不锈钢材质，截面为直径10mm的圆形，长350mm；所述的加载板8为折射率与透明岩4一致的高强度石英玻璃。所述加载板的折射率为1.477；本实例中所使用的加载板8的尺寸为250mm×250mm×10mm。所述加载杆7与加载板8通过AB胶固定连接。

本实例中所使用的伺服作动器为汉中秦川液压伺服控制有限公司生产的TRT位置液压千斤顶5（型号为GYG50-120B/E），其额定进油压力为12.5MPa，回油压力≤0.5MPa，启动压差：≤0.15MPa，额定输出力为20KN，可将来自液压源的液压能转换为机械能，也可根据需要通过产品自带的位移传感器进行伺服控制。

数据采集系统由激光器2、CCD相机3、计算机1组成；本实例中所采用的激光器23为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器2，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源。打开激光器2，并调整其具体位置，使其对准透明岩4，形成明亮的散斑场；本实例中的激光器2与透明岩4所覆加载板8外立面垂直相距300mm。所述激光器2固定在X向伺服作动器11位于加载杆7之间的外表面。

本实例中所采用的CCD相机3是德国Basler产品（型号为scA1600-14fm）；打开CCD相机3，并调整其支架10的高度和角度，使得CCD相机3的镜头垂直对准透明岩4所覆加载板8的外立面，保证其可视范围能够包含整个透明岩4；CCD相机3与计算机1相连，设置CCD相机3以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机1，并可通过计算机1实现对图像数据的实时查看和存储。

透明岩4中设有预留孔洞12。本实例中所使用的透明岩4是按照本试验所模拟岩体的物理力学性质（包括密度、单轴抗压强度、弹性模量等）设计透明岩4材料各组成成分的配和比；本实例中所采用透明材料的制备方法是将液体石蜡与正十三烷在一定的温度下（本实例中为24℃）、一定湿度下（本实例中30％），按照一定的质量比（本实例中为0.87）混合搅拌均匀制成矿物油，再按照硅粉与混合油一定的质量比（本实例中为0.62）称取硅粉，接着向混合油溶液中缓慢加入硅粉并用搅拌机不断搅拌以保证硅粉与矿物油均匀混合。本实例中透明岩4的折射率为1.477。本实例中的预制结构面6为透明岩4制备过程固化前插入若干涂满凡士林的薄钢片，待透明岩4形成强度后拔出薄钢片所形成。

所述透明岩4尺寸为250mm×250mm×250mm，透明岩4放置于底板9上；所述加载板8与透明岩4之间涂抹一层润滑油15；所述透明岩4与底板9之间涂抹一层润滑油15。

实施例一：

第一步：将配置好的矿物油和硅粉的混合物用小勺缓慢浇入模具中，浇入过程中轻晃模具，使其分布均匀。所述模具为开口式正方形，其内壁尺寸为250mm×250mm×250mm。待固液混合物具有初凝强度前，将涂抹凡士林的薄钢片一端从模具开口处插入固液混合物中。浇模完成后用真空泵对透明岩4试验进行抽真空直至试样表面无气泡位置。在试验室静置一天后，缓慢拔出薄钢片，拆模，制备成有预制结构面6的透明岩4。本实例中透明岩4的折射率为1.477。选用直径为30mm的钻头在在与透明岩4的X向垂直面的中心转孔，使孔径偏差在3mm以内，制备成所需透明岩4。

第二步：将制备好的透明岩4放置于支架10中的底板9上，安装荷载系统和数据采集系统，调试各装置显示正常。

第三步：通过计算机1调控液压千斤顶5、X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14缓慢对透明岩4施加三向应力均为100MPa荷载，保持应力状态恒定1小时后，通过计算机1调控X向伺服作动器11缓慢减小X向应力，每次减小20MPa，间隔30min，直至透明岩4发生明显的冲击岩爆破坏时停止试验，试验过程中利用数据采集系统记录该过程。试验结束后拆装并清洗试验仪器后放置于工具箱中。

第四步：利用计算机图像处理软件PIV对所获得照片进行分析，得到单向应力逐渐减小下岩体发生冲击岩爆时破坏面位移场和应力场的变化过程。

实施例二：

实施例1是在透明岩4单向应力逐渐减小、其他两向应力恒定下进行冲击岩体岩爆过程的研究，而对于双向应力减小下岩体岩爆过程的研究，可在实施例1的基础上，改变步骤3的实施方式。通过计算机1调控液压千斤顶5、X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14缓慢对透明岩4施加三向应力均为100MPa荷载，保持应力状态恒定1小时后，通过计算机1调控X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14缓慢减小X向应力、Y向应力，每次同步减小20MPa，间隔30min，直至透明岩4发生明显的冲击岩爆破坏时停止试验，试验过程中利用数据采集系统记录该过程。试验结束后拆装并清洗试验仪器后放置于工具箱中。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，包括荷载系统、数据采集系统以及透明岩4；

荷载系统由液压千斤顶5、加载杆7、加载板8、X向伺服作动器11、Y向伺服作动器14组成，所述加载板8与加载杆7连接；

数据采集系统由激光器2、CCD相机3、计算机1组成；

透明岩4中设有预留孔洞12。

2.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述透明岩4内部设有预制结构面6。

3.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述加载杆7为4~6根。

4.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述加载板8为折射率与透明岩4一致的高强度石英玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述激光器2固定在X向伺服作动器11位于加载杆7之间的外表面。

6.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述加载板8与透明岩4之间涂抹一层润滑油15。

7.根据权利要求1所述的一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验装置，其特征在于：所述透明岩4与底板9之间涂抹一层润滑油15。

8.一种可实现冲击岩爆破坏可视化观测的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）按照试验要求制备有预制结构面6的透明岩4；

（2）将透明岩4放置于底板9上，并组装相应的荷载系统和数据采集系统；

（3）利用荷载系统对透明岩4施加三向应力一段时间后，保持轴向和Y向应力不变，通过X向伺服作动器11缓慢撤去X向应力，透明岩4逐渐发生岩爆破坏，并用数据采集系统记录该过程；

（4）利用计算机图像处理软件对所获得的图像数据进行分析。