CN109490075A - 一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，包括围压和爆炸加载系统、以及分别位于该加载系统两侧的运动监测系统和应变监测系统；围压和爆炸加载系统包括加载框架，其内设有两个互相垂直且具有10MN以上加载能力的主动围压加载装置及被动支撑装置；在主动围压加载装置以及被动支撑装置上垂直连接有加载垫板，加载垫板由固定螺栓连接；运动监测系统包括数个振动速度监测探头以及与探头相连接的数据采集系统；应变监测系统包括高速摄影机以及数据处理系统。本发明装置可测定主动围压下具有不同脆性、延性特征岩石的爆炸应变和运动响应，解决以往技术方案中围压加载能力低、无法考虑围压各向异性、无法同时测定岩石爆炸应变和运动响应的问题。
Description
技术领域
本发明属于岩石动力学领域，具体涉及一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置及其应用。
背景技术
作为开发利用深部资源的重要工程手段，岩石爆破技术广泛应用于水电、交通、采矿等领域的地下巷道和厂房开挖。为优化岩石爆炸破碎效果、提高炸药能量有效利用率、降低炸药单耗和工程成本，应在减小爆破粉碎区范围的前提下，于开挖区产生长大的岩石裂隙，同时降低预留岩体的损伤破坏(Hagan,1979；Donzéet al.,1997；Banadaki&Mohanty,2012；冷振东等,2015；An et al.,2017；Yi et al.,2018)。然而，在地球深部围压(地应力)作用下，岩石将具有不同的屈服破坏形式和机理：在低围压作用下，岩石一般将产生脆性破坏并伴随着相对较少的宏观裂隙发展；而在高围压作用下，岩石一般将产生延性变形并伴随着大量微观裂隙的形成(这种岩石被称为“高应力软岩”)，进而产生相对更大的粉碎区，造成更大的爆炸能量损耗，不利于长大拉裂隙的发展(Kutter&Fairhurst,1971；Hagan,1979)。可见，爆炸波在不同围压作用下的岩石中将具有不同的衰减规律。由于爆炸波的峰值振动速度决定了岩石的损伤程度(Persson,1997；Li et al.,2011；Bastante et al.,2012；Liu et al.,2017)，因此研究岩石在不同围压条件下的爆炸力学响应和振动衰减规律，对于适应和利用原岩应力提高深部爆炸破岩效果和效率具有至关重要的理论和工程意义。然而，目前国内外针对深部岩体爆炸力学响应的测试技术方法极为有限，且均未研究不同围压下质点振动的衰减规律。
何成龙等(He et al.,2018)公开了由加载及应变测试系统两部分组成的装置，存在的不足是：围压加载能力小，可施加的最大作用力仅为500kN，对常规尺寸岩石试样仅能施加最大16MPa的围压，不能使岩石出现脆性-延性转换，进而无法揭示深部高应力软岩的爆炸力学响应，而且该装置不能测定岩石的运动特征，因而难以用于指导地球深部不同围压条件下的岩石爆破实践；Zhang et al.(2017)公开的技术存在围压加载能力小且不能测定岩石的变形和运动特征的缺陷；杨立云等(2013)的技术除了围压加载能力小外，同时存在不能实现各向异性围压加载，不能测定岩石的变形和运动特征的局限。
发明内容
本发明的目的是提出一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，可测定主动围压下具有不同脆性、延性特征岩石的爆炸应变和运动响应，解决以往技术方案中围压加载能力低、无法考虑围压各向异性、无法同时测定岩石爆炸应变和运动响应的问题，进而可实现研究岩石在不同围压条件下的爆炸力学响应和振动衰减规律，并为地球深部不同围压条件下的岩石爆破实践提供指导和依据。
本发明采取的技术方案是：
一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，包括围压和爆炸加载系统、以及分别位于该加载系统两侧的运动监测系统和应变监测系统；
所述围压和爆炸加载系统包括加载框架，在加载框架内设有两个互相垂直且具有10MN以上加载能力的主动围压加载装置以及与主动围压加载装置相匹配的被动支撑装置；在每个主动围压加载装置以及每个被动支撑装置上均垂直连接有一个加载垫板，相对的两个加载垫板由固定螺栓连接；
所述运动监测系统包括数个振动速度监测探头以及与探头相连接的数据采集系统；
所述应变监测系统包括高速摄影机以及与该摄影机相连的数据处理系统。
进一步的，所述主动围压加载装置为电液伺服加载装置。
进一步的，在所述高速摄影机与围压和爆炸加载系统之间设有光源及防弹玻璃。
利用主动围压下的岩石爆破振动测试装置进行振动衰减规律测试的方法，包括以下步骤：
(1)现场取围岩试样，通过室内静态试验测得该岩石的屈服面，获得其脆性-延性转换临界压力L(κ)和静水压缩屈服极限X(κ)；
(2)在围岩试样中心钻取炮孔；
(3)在围岩试样与炮孔垂直的任一表面安装振动速度监测探头，并将该探头与数据采集系统连接；
(4)将围岩试样放置于围压和爆炸加载系统中，并与加载垫板贴合；
(5)通过主动围压加载装置在围岩试样的水平及竖直方向同时施加相同的压力，将围岩试样的围压逐渐升高至P1，并用固定螺栓将围岩试样进行约束，其中，P1低于脆性-延性转换临界压力L(κ)；
(6)在围岩试样与炮孔垂直的另一表面一段距离处放置防弹玻璃并架设高速摄影机，同时使用LED光源对岩石表面进行人工照明；
(7)在炮孔中装填炸药并用阻塞物密封炮孔，装药量以不损坏振动速度监测探头为原则；
(8)点火引爆炸药并同步触发高速摄影机和振动速度监测探头，得到围压P1条件下点火试验的爆炸加载路径(即应力路径)B1，进而获得该岩石在表现出脆性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响；
(9)重新取围岩试样，重复步骤(2)～(8)，并将围压升高至P2，得到围压P2条件下点火试验的爆炸加载路径B2，进而获得该岩石在表现出延性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响，其中，P2高于脆性-延性转换临界压力L(κ)，低于静水压缩屈服极限X(κ)。
进一步的，加载围压低于L(κ)的测试以及高于L(κ)的测试分别进行2～5次。
进一步的，步骤(3)中振动速度监测探头的安装方式为：n个探头即P1～Pn，于围岩试样的表面沿对角线方向间隔布置，各探头距炮孔中心的距离D1-Dn(与探头P1～Pn对应)沿顺时针方向逐渐增大，增大步长为1～3cm，以监测爆破振动沿应力波传播方向的衰减规律。
本发明的有益效果：
本试验装置能够将围压升高至足够大，从而实现岩石行为从脆性向延性的转换，进而使得围压对岩石爆炸荷载响应的影响从量变产生质变，最终获得具有不同脆性、延性特征的岩石在不同围压条件下的爆炸力学行为；同时，本发明在围岩试样正面使用非接触式全场应变测量系统测应变、在试样反面安装速度或加速度探头实现试样在爆炸过程中的运动监测，本发明提出的新技术可实现同时测定各围压条件下爆炸加载导致的岩石应变和运动响应，从而为地球深部不同围压条件下的岩石爆破实践提供指导和依据。
本发明试验装置的运动监测探头布置方式与沿单个爆炸波传播方向的常规布置方式相比，振动监测范围可增大至约1.4倍，监测点数量可增加至约5.6倍，因而检测效果更好更准确。
本发明克服了现有设备围压加载能力小，没有考虑岩石在高压下会产生“脆性-延性”转换，以及目前所有的主动围压下的爆破测试设备均未使用速度或加速度的探头、仅使用应变来衡量岩石的爆破损伤存在效果不佳的问题。
附图说明
图1是本发明测试装置整体示意图；
图2是本发明运动监测系统示意图；
图3是本发明测试装置的围压和爆炸加载系统示意图；
图4是围压对岩石爆炸荷载响应的示意图；
图中，1、围岩试样，2、振动速度监测探头，3、炮孔，4、阻塞物，5、光源，6、防弹玻璃，7、高速摄影机，8、加载框架，9、主动围压加载装置，10、加载垫板，11、固定螺栓，12、被动支撑装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1～3所示，一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，包括围压和爆炸加载系统、以及分别位于该加载系统两侧的运动监测系统和应变监测系统；
所述围压和爆炸加载系统包括加载框架8，在加载框架8内设有两个互相垂直且具有10MN以上加载能力的主动围压加载装置9以及与主动围压加载装置9相匹配的被动支撑装置12；在每个主动围压加载装置9以及每个被动支撑装置12上均垂直连接有一个加载垫板10，相对的两个加载垫板10由固定螺栓11连接；测试前，将围岩试样1置于加载垫板10之间，并由固定螺栓11约束以防止爆炸过程中的围压卸载，在围岩试样1中心位置钻有炮孔3，炮孔内填充炸药，再用阻塞物4对炮孔进行阻塞；
所述运动监测系统包括数个振动速度监测探头2以及与探头相连接的数据采集系统，所述振动速度监测探头分布于围岩试样1表面；
所述应变监测系统包括高速摄影机7以及与该摄影机相连的数据处理系统，数据处理系统为数字图像处理软件，对高速摄影机拍摄的照片进行处理，最终实现围岩试样爆炸加载过程中的非接触式全场应变测量；在所述高速摄影机7与围压和爆炸加载系统之间设有LED光源5及防弹玻璃6，光源位于高速摄影机前方的上下两侧，为摄像机进行人工照明，防弹玻璃防止爆炸导致的岩屑飞溅损坏高速摄影机。
采用本发明装置对某高构造应力区水电站深埋地下厂房高应力软岩的爆破荷载响应进行分析测试，具体实施过程如下：
1.通过室内静态试验测得该水电站厂房围岩的屈服面如图4所示，该岩石的脆性-延性转换临界压力为L(κ)，静水压缩屈服极限为X(κ)；
2.取四个围岩试样并编号为A、B、C、D，分别在每个围岩试样的中心钻取一个直径1cm、深度5cm的炮孔；
3.在围岩试样A中与炮孔垂直的一面安装振动速度监测探头，并将探头与数据采集系统连接；
本实施例中安装的振动速度监测探头共计12个，依次标记为P1-P12，所有探头在围岩试样的表面沿两条对角线方向间隔布置，且角标按照顺时针方向依次增大，用以监测爆破振动沿应力波传播方向的衰减规律，各探头距炮孔中心的距离对应标记为D1-D12，D1-D12沿顺时针方向以1.5cm的步长逐渐增大，如图2所示；
4.将A试样放置于围压和爆炸加载系统中，并与加载垫板贴合；
5.通过主动围压加载装置在A试样的水平及竖直方向同时施加相同的压力，将A围岩试样的围压逐渐升高至Pc1，之后用固定螺栓将围岩试样进行约束，其中，Pc1小于脆性-延性转换临界压力L(κ)，如图4所示；
6.在围岩试样A与炮孔垂直的另一表面一定距离处放置防弹玻璃并架设高速摄影机，同时使用LED光源对岩石表面进行人工照明，防弹玻璃与高速摄影机的放置位置根据防弹玻璃的抗破坏能力与高速摄影机镜头的焦距综合调整，若防弹玻璃的抗破坏能力强、高速摄影机镜头的焦距短，则二者可放置于围岩试样的较近位置，反之亦然；
7.在炮孔中装填炸药并用阻塞物密封炮孔，装药量以不损坏振动速度监测探头为原则，具体操作时，可预先进行装药实验，以获得合理装药量；
8.点火引爆炸药并同步触发高速摄影机和振动速度监测探头，得到围压Pc1条件下点火试验的爆炸加载路径(即应力路径)Bc1，进而获得A围岩试样在表现出脆性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响；
重复步骤3～8，对B、C、D试样进行测试，所不同的是，B、C、D试样的加载围岩依次分别为Pc2、Pc3、Pc4，其中，Pc2小于L(κ)，爆炸加载路径为Bc2，获得的是B围岩试样在表现出脆性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响；
而Pc3、Pc4均大于L(κ)、小于X(κ)，爆炸加载路径分别为Bc3、Bc4，获得的是C围岩试样和D围岩试样在表现出延性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响。
Claims (6)
1.一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，其特征在于，包括围压和爆炸加载系统、以及分别位于该加载系统两侧的运动监测系统和应变监测系统；
所述围压和爆炸加载系统包括加载框架(8)，在加载框架(8)内设有两个互相垂直且具有10MN以上加载能力的主动围压加载装置(9)以及与主动围压加载装置相匹配的被动支撑装置(12)；在每个主动围压加载装置(9)以及每个被动支撑装置(12)上均垂直连接有一个加载垫板(10)，相对的两个加载垫板(10)由固定螺栓(11)连接；
所述运动监测系统包括数个振动速度监测探头(2)以及与探头相连接的数据采集系统；
所述应变监测系统包括高速摄影机(7)以及与该摄影机相连的数据处理系统。
2.如权利要求1所述的一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，其特征在于，所述主动围压加载装置(9)为电液伺服加载装置。
3.如权利要求1所述的一种主动围压下的岩石爆破振动测试装置，其特征在于，在所述高速摄影机(7)与围压和爆炸加载系统之间设有光源(5)及防弹玻璃(6)。
4.利用权利要求1～3所述的任一主动围压下的岩石爆破振动测试装置进行振动衰减规律测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)现场取围岩试样，通过室内静态试验测得该岩石的屈服面，获得其脆性-延性转换临界压力L(κ)和静水压缩屈服极限X(κ)；
(2)在围岩试样中心钻取炮孔；
(3)在围岩试样与炮孔垂直的任一表面安装振动速度监测探头，并将该探头与数据采集系统连接；
(4)将围岩试样放置于围压和爆炸加载系统中，并与加载垫板贴合；
(5)通过主动围压加载装置在围岩试样的水平及竖直方向同时施加相同的压力，将围岩试样的围压逐渐升高至P1，并用固定螺栓将围岩试样进行约束，其中，P1低于脆性-延性转换临界压力L(κ)；
(6)在围岩试样与炮孔垂直的另一表面一段距离处放置防弹玻璃并架设高速摄影机，同时使用LED光源对岩石表面进行人工照明；
(7)在炮孔中装填炸药并用阻塞物密封炮孔，装药量以不损坏振动速度监测探头为原则；
(8)点火引爆炸药并同步触发高速摄影机和振动速度监测探头，得到围压P1条件下点火试验的爆炸加载路径B1，进而获得该岩石在表现出脆性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响；
(9)重新取围岩试样，重复步骤(2)～(8)，并将围压升高至P2，得到围压P2条件下点火试验的爆炸加载路径B2，进而获得该岩石在表现出延性特征时围压对其爆炸应变响应和振动衰减规律的影响，其中，P2高于脆性-延性转换临界压力L(κ)，低于静水压缩屈服极限X(κ)。
5.如权利要求4所述的利用主动围压下的岩石爆破振动测试装置进行振动衰减规律测试的方法，其特征在于，加载围压低于L(κ)的测试以及高于L(κ)的测试分别进行2～5次。
6.如权利要求4所述的利用主动围压下的岩石爆破振动测试装置进行振动衰减规律测试的方法，其特征在于，步骤(3)中振动速度监测探头的安装方式为：n个探头即P1～Pn，于围岩试样的表面沿对角线方向间隔布置，各探头距炮孔中心的对应距离D1-Dn沿顺时针方向逐渐增大，增大步长为1～3cm，以监测爆破振动沿应力波传播方向的衰减规律。
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