CN110672438B - 用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置 - Google Patents

用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置 Download PDF

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Abstract

一种用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置，其特征在于，实现以最小的能量聚集快速对赋存地质环境的岩土体进行精准切缝，按位置关系由左至右包括动态冲击输入系统、动力冲击入射杆、岩土体试样、动力冲击透射杆，还包括位于底部的固着系统，其中：整个装置的输入端是动态冲击输入系统，为产生动能的撞击装置；所述岩土体试样7为圆形柱状试样，位于整个装置的中央位置；所述动力冲击入射杆，位于岩土体试样7的左侧，其功能是为动态冲击子弹14产生的动能提供入射传递路径；所述动力冲击透射杆6，等等。具有聚能性能可靠、精准特点。

Description

用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置
技术领域
本发明属于岩土体动态冲击聚能切缝技术领域。
背景技术
任何岩土体都有其成因、赋存地质环境和演变历程，因而不同的岩土体都有其特有的特性。特别是层状岩体，它是深部资源开采中普遍存在的一种岩体，由于具有层状结构、三高一扰动的特殊环境，使深部工程围岩表现出其特有的力学特征：如围岩的大变形、深部岩体的脆性-延性转化，导致其变形和强度特征具有明显的各向异性，其破坏机理及方式与浅部显著不同。现有的岩土体聚能切缝研究，主要是关注在现场装有炸药的聚能切缝器、切缝药包、聚能管等，目前没有针对各类岩土体进行室内动态冲击双面聚能切缝研究。因此，如何以最小的能量聚集快速对不同赋存地质环境的岩土体进行精准切缝，对节约工程成本，提高工效和工程的安全性，以及减少围岩的扰动性，防止岩土体坍塌具有重要意义。
发明内容
本申请的目的是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于动态冲切岩体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置，具有聚能性能可靠、精准特点。
为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
一种用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置，其特征在于，实现以最小的能量聚集快速对赋存地质环境的岩土体进行精准切缝，其结构设计为，按位置关系由左至右包括动态冲击输入系统、动力冲击入射杆5、岩土体试样7、动力冲击透射杆6，还包括位于底部的固着系统，其中：
整个装置的输入端是动态冲击输入系统，为产生动能的撞击装置；所述岩土体试样7为圆形柱状试样，位于整个装置的中央位置； 所述动力冲击入射杆5，位于岩土体试样7的左侧，其功能是为动态冲击子弹14产生的动能提供入射传递路径；所述动力冲击透射杆6，位于岩土体试样7的右侧，其功能是为动态冲击子弹14产生的能量作用在岩土体试样7后提供动能的透射传递路径；整个装置的底部设置为固着系统，设计有稳固器19，所述动力冲击入射杆5、动力冲击透射杆6通过双柱形稳固器19焊接锚固在地层中；
所述动态冲击输入系统设计为：包括空气压缩系统16、子弹控制器17、高压管18、储气罐21、球阀22、动态冲击子弹14、子弹筒15，其中：动态冲击子弹14套设在子弹筒15内部，动态冲击子弹14为圆柱形，其直径略小于子弹筒15的直径，材质为碳素钢；储气罐21、空气压缩系统16之间通过高压管18密闭连接，储气罐21与子弹筒15之间焊接有球阀22；空气压缩系统16通过导线13由子弹控制器17连接控制，从而子弹控制器17控制空气压缩系统16向储气罐21内提供具有设定压力要求的气源，储气罐21内部的压力气源快速通过球阀22射入子弹筒15内的动态冲击子弹14，驱使动态冲击子弹14高速撞击动力冲击入射杆5产生动力冲击能。
在岩土体试样7与其左右相邻的动力冲击入射杆5、动力冲击透射杆6之间，分别设置有功能层，形成递进式作用方式，此两个功能层的结构为：包括冲击聚能环系统、聚能钉柱切缝系统2、孔隙充填稳固油脂3、减摩润滑系统，其中：
所述冲击聚能环系统的功能是为能量聚集提供载体，径向设置，为两块平行设置的环形防护板，其材质是聚氯乙烯，其上设置有众多线型圆孔，即为冲击聚能环系统中布设的圆孔线型聚能系统，是为能量聚集提供通道。
所述聚能钉柱切缝系统2是由众多均匀布设的小直径聚能切缝钉柱构成，设置于两块平行设置的环形防护板内，聚能钉柱切缝系统2的两端分别安装于两侧的环形防护板上的线型圆孔内。其功能是将外部的动态冲击子弹14能量撞击动力冲击入射杆5后产生的动能聚焦在小直径的聚能切缝钉柱上，并瞬态传递给岩土体试样7，模拟能量的微孔聚集冲击。
所述孔隙充填稳固油脂3的功能是稳固聚能钉柱切缝系统2内的各切缝钉柱，同时在轴向使切缝钉柱单元与两侧环行防护板实现密封并合为一个整体。
所述减摩润滑系统，为涂敷的黄油润滑油脂，涂敷于功能层外部，即涂敷于与功能层相邻的岩土体试样7、动力冲击入射杆5和动力冲击透射杆6接触面上，以减少摩阻力，稳固冲击聚能环系统 。换个说法，在动力冲击入射杆5与功能层之间，以及动力冲击透射杆6与功能层之间都设置有减摩润滑系统，用于减少摩阻力，同时稳固聚能环形保护板，避免其在自重作用下的滑落。
本申请与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
本申请装置具有聚集冲击动能精准冲切岩土体的特点。本申请装置通过在岩土体试样的两侧布设冲击聚能环系统，然后在冲击聚能环系统中布设圆孔线型聚能系统，进而将聚能钉柱切缝系统中的若干聚能切缝钉柱依次对应伸入圆孔线型聚能系统中的若干聚能孔，从而形成钉柱式和板块式组合受力模式，致使若干聚能切缝钉柱将动态冲击子弹以集中动荷载的形式作用在岩土体试样上，而冲击聚能环系统中的第一冲击聚能环和第二冲击聚能环则以均布动荷载的形式作用在岩土体试样上，在上述集中动荷载与均布动荷载的组合作用下致使岩土体试样精确切缝，减少能量损伤，提高能量的利用率，降低工程施工成本。
附图说明
图1为本申请用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝模型的正剖面示意图。（整体为圆筒形结构）
图2为图1中第一冲击聚能环A-A或者第二冲击聚能环B-B处的剖面示意图。
图3为图2中的第一冲击聚能环防护板或者第二冲击聚能环防护板环示意图。
图4为图3中的第一冲击聚能环外或者第二冲击聚能环外立面正示意图。
其中，
冲击聚能环系统：101为第一冲击聚能环、102为第二冲击聚能环，
2为聚能钉柱切缝系统、201为第一聚能切缝钉柱、202为第二聚能切缝钉柱、203为第三聚能切缝钉柱、204为第四聚能切缝钉柱、205为第五聚能切缝钉柱、206为第六聚能切缝钉柱、207为第七聚能切缝钉柱，
3为孔隙充填稳固油脂，
减摩润滑系统：401为第一减摩润滑系统、402为第二减摩润滑系统、403为第三减摩润滑系统、404为第四减摩润滑系统，
5为动力冲击入射杆，
6为动力冲击透射杆，
7为岩土体试样，
19为双柱形稳固器；
14为动态冲击子弹，15为子弹筒，16为空气压缩系统，17为子弹控制器，18为高压管， 21为储气罐，22为球阀。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本申请作进一步的说明。
实施例：
如图1~图4所示，一种用于动态冲切岩体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置，按位置关系由左至右包括动态冲击输入系统、动力冲击入射杆5、岩土体试样7、动力冲击透射杆6，还包括位于底部的固着系统，其中：
整个装置的输入端是动态冲击输入系统，为产生动能的撞击装置；所述岩土体试样7为圆形柱状试样，位于整个装置的中央位置； 所述动力冲击入射杆5，位于岩土体试样7的左侧，其功能是为动态冲击子弹14产生的动能提供入射传递路径；所述动力冲击透射杆6，位于岩土体试样7的右侧，其功能是为动态冲击子弹14产生的能量作用在岩土体试样7后提供动能的透射传递路径；整个装置的底部设置为固着系统，设计有稳固器19，所述动力冲击入射杆5、动力冲击透射杆6通过双柱形稳固器19焊接锚固在地层中；
所述动态冲击输入系统设计为：包括空气压缩系统16、子弹控制器17、高压管18、储气罐21、球阀22、动态冲击子弹14、子弹筒15，其中：动态冲击子弹14套设在子弹筒15内部，动态冲击子弹14为圆柱形，其直径略小于子弹筒15的直径，材质为碳素钢；储气罐21、空气压缩系统16之间通过高压管18密闭连接，储气罐21与子弹筒15之间焊接有球阀22；空气压缩系统16通过导线13由子弹控制器17（图中仅示意）连接控制，从而子弹控制器17控制空气压缩系统16向储气罐21内提供具有设定压力要求的气源，储气罐21内部的压力气源快速通过球阀22射入子弹筒15内的动态冲击子弹14，驱使动态冲击子弹14高速撞击动力冲击入射杆5产生动力冲击能。
在岩土体试样7与其左右相邻的动力冲击入射杆5、动力冲击透射杆6之间，分别设置有功能层，形成递进式作用方式，此两个功能层的结构完全相同且同高度对准一致，单个功能层的结构为：包括冲击聚能环系统、聚能钉柱切缝系统2、孔隙充填稳固油脂3、减摩润滑系统，其中：
所述冲击聚能环系统的功能是为能量聚集提供载体，径向设置，为两块平行设置的环形防护板，其材质是聚氯乙烯，其上设置有众多线型圆孔，即为冲击聚能环系统中布设的圆孔线型聚能系统，是为能量聚集提供通道。
所述聚能钉柱切缝系统2是由众多均匀布设的小直径聚能切缝钉柱构成，设置于两块平行设置的环形防护板内，聚能钉柱切缝系统2的两端分别安装于两侧的环形防护板上的线型圆孔内。其功能是将外部的动态冲击子弹14能量撞击动力冲击入射杆5后产生的动能聚焦在小直径的聚能切缝钉柱上，并瞬态传递给岩土体试样7，模拟能量的微孔聚集冲击。
所述孔隙充填稳固油脂3的功能是稳固聚能钉柱切缝系统2内的各切缝钉柱，同时在轴向使切缝钉柱单元与两侧环行防护板实现密封并合为一个整体。
所述减摩润滑系统，为涂敷的黄油润滑油脂，涂敷于功能层外部，即涂敷于与功能层相邻的岩土体试样7、动力冲击入射杆5和动力冲击透射杆6接触面上，以减少摩阻力，稳固冲击聚能环系统 。换个说法，在动力冲击入射杆5与功能层之间，以及动力冲击透射杆6与功能层之间都设置有减摩润滑系统，用于减少摩阻力，同时稳固聚能环形保护板，避免其在自重作用下的滑落。
以下作为实例而非限制，如图所示。
防护板上的线型圆孔包括若干聚能孔，如图仅作为示例，具体为第一聚能孔1001、第二聚能孔1002、第三聚能孔1003、第四聚能孔1004、第五聚能孔1005、第六聚能孔1006、第七聚能孔1007，聚能孔直径、聚能孔数量可根据实验时能量聚集需要进行任意布设。
聚能钉柱切缝系统2包括若干聚能切缝钉柱，如图仅作为示例，具体为第一聚能切缝钉柱201、第二聚能切缝钉柱202、第三聚能切缝钉柱203、第四聚能切缝钉柱204、第五聚能切缝钉柱205、第六聚能切缝钉柱206、第七聚能切缝钉柱207，直径、数量适应于防护板上的线型圆孔的布设而定。
各个能切缝钉柱均为钢制圆形钉柱，其直径小于防护板上的线型圆孔的直径。
各个能切缝钉柱的长度一致，它们的高度分别与防护板上的线型圆孔布置相一致。
各个能切缝钉柱的分别一一对应伸入防护板上的线型圆孔中，并由孔隙充填稳固油脂3充填在其间隙中，主要起闭合和稳固作用，避免聚能切缝钉柱滑落。
动力冲击入射杆5主要是传递动态冲击子弹14的能量，形状为圆柱形，材质是碳素钢。
动力冲击透射杆6主要是二次传递动态冲击子弹14的能量并逐渐消散，形状为圆柱形，材质是碳素钢。
进一步的，动力冲击入射杆5的左侧紧邻子弹筒15装置，子弹筒15的直径略大于动力冲击入射杆5的直径；动态冲击子弹14设置于子弹筒15内，主要作用撞击动力冲击入射杆5提供动能。
实施例的安装方式和工作原理是：
（1）首先依次在两块相对平行设置的冲击聚能环形保护板的中心位置垂向对称布设第一聚能孔1001、第二聚能孔1002、第三聚能孔1003、第四聚能孔1004、第五聚能孔1005、第六聚能孔1006、第七聚能孔1007。
（2）然后，将聚能钉柱切缝系统2中的第一聚能切缝钉柱201伸入第一聚能孔1001内、第二聚能切缝钉柱202伸入第二聚能孔1002内、第三聚能切缝钉柱203伸入第三聚能孔1003内、第四聚能切缝钉柱204伸入第四聚能孔1004内、第五聚能切缝钉柱205伸入第五聚能孔1005内、第六聚能切缝钉柱206伸入第六聚能孔1006内、第七聚能切缝钉柱207伸入第七聚能孔1007内，以上若干聚能切缝钉柱与若干聚能孔之的间隙中利用孔隙充填稳固油脂3充填。
（3）接着，将岩土体试样7的左右两个端面分别涂抹减摩润滑系统，然后，将已装有聚能钉柱切缝系统2的击聚能环形保护板安设在减摩润滑系统上；
然后，在相应减摩润滑系统侧安设动力冲击入射杆5、动力冲击透射杆6。
（4）最后，发生作用机理：动态冲击子弹14提供能量，通过动力冲击入射杆5将动态冲击子弹14传递至第一个冲击聚能环形板和聚能钉柱切缝系统2中的各个聚能切缝钉柱，此时，聚能钉柱切缝系统2中的各个聚能切缝钉柱与第一个冲击聚能环形板两者呈钉柱式和板块式组合模式，若干聚能切缝钉柱将动态冲击子弹14以集中动荷载的形式作用在岩土体试样7上，而第一冲击聚能环形板则以均布动荷载的形式作用在岩土体试样7上，而集中动荷载与均布动荷载的组合致使岩土体试样7的左侧出现线性裂缝；与此同时，动态冲击子弹14瞬间穿透岩土体试样7而作用在右侧的第二个冲击聚能环形板和聚能钉柱切缝系统2中的相应各个聚能切缝钉柱上，这时，在右侧的各聚能切缝钉柱的动集中荷载和第二冲击聚能环形板的动均布荷载的共同作用下，瞬间致使岩土体试样7呈线性切割破裂，而剩余的动能通过动力冲击透射杆6进行散射。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于动态冲切岩土体的圆孔线型钉柱式双面聚能切缝装置，其特征在于，按位置关系由左至右包括动态冲击输入系统、动力冲击入射杆（5）、岩土体试样（7）、动力冲击透射杆（6），还包括位于底部的固着系统，其中：
整个装置的输入端是动态冲击输入系统，为产生动能的撞击装置；所述岩土体试样（7）为圆形柱状试样，位于整个装置的中央位置； 所述动力冲击入射杆（5），位于岩土体试样（7）的左侧，其功能是为动态冲击子弹（14）产生的动能提供入射传递路径；所述动力冲击透射杆（6），位于岩土体试样（7）的右侧，其功能是为动态冲击子弹（14）产生的能量作用在岩土体试样（7）后提供动能的透射传递路径；整个装置的底部设置为固着系统，设计有稳固器（19），所述动力冲击入射杆（5）、动力冲击透射杆（6）通过双柱形稳固器（19）焊接锚固在地层中；
所述动态冲击输入系统设计为：包括空气压缩系统（16）、子弹控制器（17）、高压管（18）、储气罐（21）、球阀（22）、动态冲击子弹（14）、子弹筒（15），其中：动态冲击子弹（14）套设在子弹筒（15）内部，动态冲击子弹（14）为圆柱形，其直径略小于子弹筒（15）的直径，材质为碳素钢；储气罐（21）、空气压缩系统（16）之间通过高压管（18）密闭连接，储气罐（21）与子弹筒（15）之间焊接有球阀（22）；空气压缩系统（16）通过导线（13）由子弹控制器（17）连接控制，从而子弹控制器（17）控制空气压缩系统（16）向储气罐（21）内提供具有设定压力要求的气源，储气罐（21）内部的压力气源快速通过球阀（22）射入子弹筒（15）内的动态冲击子弹（14），驱使动态冲击子弹（14）高速撞击动力冲击入射杆（5）产生动力冲击能；
在岩土体试样（7）与其左右相邻的动力冲击入射杆（5）、动力冲击透射杆（6）之间，分别设置有功能层，形成递进式作用方式，此两个功能层的结构为：包括冲击聚能环系统、聚能钉柱切缝系统（2）、孔隙充填稳固油脂（3）、减摩润滑系统，其中：
所述冲击聚能环系统的功能是为能量聚集提供载体，径向设置，为两块平行设置的环形防护板，其上设置有众多线型圆孔，为冲击聚能环系统中布设的圆孔线型聚能系统，是为能量聚集提供通道；
所述聚能钉柱切缝系统（2）是由众多均匀布设的小直径聚能切缝钉柱构成，设置于两块平行设置的环形防护板内，聚能钉柱切缝系统（2）的两端分别安装于两侧的环形防护板上的线型圆孔内，将外部的动态冲击子弹（14）能量撞击动力冲击入射杆（5）后产生的动能聚焦在小直径的聚能切缝钉柱上，并瞬态传递给岩土体试样（7），模拟能量的微孔聚集冲击；
所述孔隙充填稳固油脂（3）的功能是稳固聚能钉柱切缝系统（2）内的各切缝钉柱，同时在轴向使切缝钉柱单元与两侧环行防护板实现密封并合为一个整体；
在动力冲击入射杆（5）与功能层之间，以及动力冲击透射杆（6）与功能层之间都设置有减摩润滑系统。
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