CN112666012B - 一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，包括由反力墙围成的箱体，箱体内容置深部岩体模拟材料试件；箱体侧面的反力墙上均设有第一水胶囊和第一油囊，第一油囊向第一水胶囊施加压力，第一水胶囊向试件施加压力；箱体顶部反力墙的底面上设有第二水胶囊和第二油囊，第二油囊向第二水胶囊施加压力，第二水胶囊向试件施加压力；箱体顶部反力墙的顶面上设有液压冲击装置，液压冲击装置贯穿箱体顶部的反力墙，并冲击第二水胶囊；本发明采用第一油囊、第一水胶囊、第二油囊和第二水胶囊对试件进行加压，模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击装置和第二水胶囊对试件施加应力脉冲，模拟大当量爆炸地冲击扰动。

Description

一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置

技术领域

本发明涉及深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验技术领域，具体是一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置。

背景技术

在采矿及隧道开挖过程中，有一个非常重要的问题需要考虑，即爆炸扰动及开挖扰动对深部地下工程的地冲击扰动问题。深部岩体存在于高应力环境中，在长期的地质作用下蕴含着大量的地质构造变形能。在施工开挖卸荷扰动和爆炸地冲击扰动作用下，地质构造变形能得到释放，且远大于输入的爆炸扰动能量，由此可能诱发分区破裂、大变形、岩爆、工程性地震等灾害。因此为防止上述灾害发生，明确深部岩体在爆炸地冲击扰动下的力学行为是迫切的研究需要。由于自然界中的深部岩体在长期的自然造物因素的影响和作用下形成了复杂的结构特征，人为开挖卸荷的影响使得问题更加复杂，所以难以通过理论分析和数值模拟对其进行准确定量描述。

在满足相似理论的基础上，模型实验能够复现工程现场中发生的现象，并可以根据再现的现象分别控制影响实验结果的主要因素，控制过程清晰明了，控制范围可调，是十分可行的方法。目前大规模爆炸的地冲击扰动是通过少量炸药爆炸来实现，该方法产生的爆炸为点源扰动，与真实爆炸在远场的传播的爆炸载荷相差较大，很难做到当量可调，并且具有相当高的危险性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，包括由反力墙围成的箱体，箱体内容置深部岩体模拟材料试件；箱体侧面的反力墙上均设有第一水胶囊和第一油囊，第一油囊置于第一水胶囊的周围，且第一油囊与第一水胶囊之间固定连接，第一油囊向第一水胶囊施加压力，第一水胶囊向深部岩体模拟材料试件施加压力；箱体顶部反力墙的底面上设有第二水胶囊和第二油囊，第二油囊置于第二水胶囊的周围，且第二油囊与第二水胶囊之间固定连接，第二油囊向第二水胶囊施加压力，第二水胶囊向深部岩体模拟材料试件施加压力；箱体顶部反力墙的顶面上设有液压冲击装置，液压冲击装置贯穿箱体顶部的反力墙，并冲击第二水胶囊。

进一步的，第二水胶囊包括从上到下依次密封固定连接的第一限向管、第一锥形壳体和柔性橡胶，第一限向管与箱体顶部反力墙的底面活动连接，第一限向管内设有封水活塞，第一限向管、第一锥形壳体、柔性橡胶和封水活塞之间围成用于装水的第一封闭空间，柔性橡胶置于深部岩体模拟材料试件的上方，封水活塞上设有排气管。

进一步的，第二油囊包括依次密封固定连接的第二限向管、第二锥形壳体和外圆环，第二限向管与箱体顶部反力墙的底面活动连接，第二限向管套设于第一限向管上，且与第一限向管贴合固定连接，第二锥形壳体与第一锥形壳体贴合固定连接，外圆环与第二限向管平行且相对设置，第二限向管和外圆环之间设有封油活塞，第二限向管、第二锥形壳体、外圆环和封油活塞之间围成用于装油的第二封闭空间。

进一步的，封水活塞与第一限向管之间设有密封圈，封油活塞与外圆环之间设有密封圈，封油活塞与第二限向管之间设有密封圈。

进一步的，第一油囊与箱体侧面反力墙之间设有四个第一液压油缸，四个第一液压油缸的固定端分别固定连接于箱体侧面反力墙的四个顶角位置处，四个第一液压油缸的活动端均与第一油囊固定连接，四个第一液压油缸均带动第一油囊和第一水胶囊进行左右移动；第二油囊与箱体顶部反力墙之间设有四个第二液压油缸，四个第二液压油缸的固定端分别固定连接于箱体顶部反力墙底面的四个顶角位置处，四个第二液压油缸的活动端均与第二油囊固定连接，四个第二液压油缸均带动第二油囊和第二水胶囊进行上下移动。

进一步的，液压冲击装置包括从上到下依次连通的气室、第一电磁阀、加速管和限位套筒，限位套筒贯穿箱体顶部的反力墙，并置于封水活塞的上方，加速管内设有冲击单元，气室内的高压气流经过第一电磁阀后进入加速管内，并驱动冲击单元进入限位套筒内冲击封水活塞。

进一步的，冲击单元包括冲击活塞和撞击杆，冲击活塞的一端与撞击杆的一端通过法兰连接，撞击杆与封水活塞之间设有缓冲材料，冲击活塞与加速管之间设有密封圈。

进一步的，加速管上设有第二电磁阀和进气口。

进一步的，加速管靠近限位套筒的一端内设有密封圆盘，撞击杆贯穿密封圆盘，密封圆盘与加速管之间设有密封圈，密封圆盘与撞击杆之间设有密封圈。

进一步的，加速管包括第一加速管和第二加速管，第一加速管的一端与第二加速管的一端通过卡扣连接，第一加速管的另一端与第一电磁阀连通，第二加速管的另一端与限位套筒连通，第二加速管上套设有外套管，外套管一端与第一加速管固定连接，另一端与箱体顶部的反力墙固定连接，第二加速管和外套管之间开设有用于安装速度传感器的圆孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，采用箱体侧面反力墙上的第一油囊对第一水胶囊进行加压，采用箱体顶部反力墙上的第二油囊对第二水胶囊进行加压，第二水胶囊和第一水胶囊均将静水压力传递至深部岩体模拟材料试件当中，模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击装置对第二水胶囊施加应力脉冲，应力脉冲向下传递至深部岩体模拟材料试件当中，模拟大当量爆炸地冲击扰动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置一种状态时的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置另一种状态时的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置中第二水胶囊和第二油囊的结构示意图。

图中：1-深部岩体模拟材料试件、2-箱体、201-反力墙、3-第一水胶囊、301-进水口、4-第二水胶囊、401-第一限向管、402-封水活塞、403-第一锥形壳体、404-柔性橡胶、405-第一封闭空间、406-排气管、5-第二油囊、501-第二限向管、502-第二锥形壳体、503-封油活塞、504-外圆环、505-第二封闭空间、506-进油口、6-液压冲击装置、601-气室、602-第一电磁阀、603-第二电磁阀、604-加速管、605-限位套筒、606-冲击单元、607-第一加速管、608-第二加速管、609-外套管、610-圆孔、611-冲击活塞、612-撞击杆、613-法兰、614-密封圆盘、615-进气口、7-液压油缸、8-第一油囊。

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。

如图1至图3所示，是本发明实施例提供的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，包括由反力墙201围成的箱体2，箱体2内容置深部岩体模拟材料试件1，箱体2侧面的反力墙201上均设有第一水胶囊3和第一油囊8，第一油囊8置于第一水胶囊3的周围，且第一油囊8与第一水胶囊3之间固定连接，第一油囊8向第一水胶囊3施加压力，第一水胶囊3向深部岩体模拟材料试件1施加压力，第一水胶囊3上设有用于注水的进水口301，箱体2顶部反力墙201的底面上设有第二水胶囊4和第二油囊5，第二油囊5置于第二水胶囊4的周围，且第二油囊5与第二水胶囊4之间固定连接，第二油囊5向第二水胶囊4施加压力，第二水胶囊4向深部岩体模拟材料试件1施加压力，箱体2顶部反力墙201的顶面上设有液压冲击装置6，液压冲击装置6贯穿箱体2顶部的反力墙201，并冲击第二水胶囊4；本发明采用箱体2侧面反力墙201上的第一油囊8对第一水胶囊3进行加压，采用箱体2顶部反力墙201上的第二油囊5对第二水胶囊4进行加压，第二水胶囊4和第一水胶囊3均将静水压力传递至深部岩体模拟材料试件1当中，模拟施加高地应力环境，并采用液压冲击装置6对第二水胶囊4施加应力脉冲，应力脉冲向下传递至深部岩体模拟材料试件1当中，模拟大当量爆炸地冲击扰动。

第一水胶囊3为整体封闭结构，第一水胶囊3中装有水，第一油囊8为圆柱形的油囊，第一油囊8中装有油。

第二水胶囊4包括从上到下依次密封固定连接的第一限向管401、第一锥形壳体403和柔性橡胶404，第一限向管401与箱体2顶部反力墙201的底面活动连接，第一限向管401内设有封水活塞402，第一限向管401、第一锥形壳体403、柔性橡胶404和封水活塞402之间围成用于装水的第一封闭空间405，柔性橡胶404置于深部岩体模拟材料试件1的上方，封水活塞402上设有排气管406，通过排气管406可以排出第一封闭空间405中多余的空气，实现第二水胶囊4中水压的加载。

第二油囊5包括依次密封固定连接的第二限向管501、第二锥形壳体502和外圆环504，第二限向管501与箱体2顶部反力墙201的底面活动连接，第二限向管501套设于第一限向管401上，且与第一限向管401贴合固定连接，第二锥形壳体502与第一锥形壳体403贴合固定连接，外圆环504与第二限向管501平行且相对设置，第二限向管501和外圆环504之间设有封油活塞503，第二限向管501、第二锥形壳体502、外圆环504和封油活塞503之间围成用于装油的第二封闭空间505，外圆环504上设有用于向第二封闭空间505内注油的进油口506，通过向第二油囊5中注油来实现第二油囊5中油压的升高。

第一封闭空间405为上窄下宽的锥形结构，液压冲击装置6对第二水胶囊4施加的应力脉冲，从封水活塞402向下传递时，波阵面不断扩大，形成平面波，模拟大当量爆炸在爆炸远场的平面波传播效应。

封水活塞402与第一限向管401之间设有密封圈，进行密封，封油活塞503与外圆环504之间设有密封圈，进行密封，封油活塞503与第二限向管501之间设有密封圈，进行密封。

第一油囊8与箱体2侧面反力墙201之间设有四个第一液压油缸，四个第一液压油缸的固定端分别固定连接于箱体2侧面反力墙201的四个顶角位置处，四个第一液压油缸的活动端均与第一油囊8固定连接，四个第一液压油缸均带动第一油囊8和第一水胶囊3进行左右移动；第二油囊5与箱体2顶部反力墙201之间设有四个第二液压油缸7，四个第二液压油缸7的固定端分别固定连接于箱体2顶部反力墙201底面的四个顶角位置处，四个第二液压油缸7的活动端均与第二油囊5固定连接，四个第二液压油缸7均带动第二油囊5和第二水胶囊4进行上下移动。

液压冲击装置6包括从上到下依次连通的气室601、第一电磁阀602、加速管604和限位套筒605，限位套筒605贯穿箱体2顶部的反力墙201，并置于封水活塞402的上方，限位套筒605的作用是限制封水活塞402向上运动，保证静水压力和应力脉冲向下传递至深部岩体模拟材料试件1当中，加速管604内设有冲击单元606，气室601内的高压气流经过第一电磁阀602后进入加速管604内，并驱动冲击单元606进入限位套筒605内冲击封水活塞402，通过改变气室601内气体的气压来控制冲击能量。

冲击单元606包括冲击活塞611和撞击杆612，冲击活塞611的一端与撞击杆612的一端通过法兰613连接，撞击杆612与封水活塞402之间设有缓冲材料，高压气流推动冲击活塞611，撞击杆612冲击缓冲材料形成应力脉冲，应力脉冲经过第二水胶囊4的整形作用后，形成的载荷峰值范围为0-6MPa，压力上升时间为2.5-100ms，下降时间为上升时间的2-4倍；通过改变缓冲材料的厚度、硬度可以得到不同的材料压缩行程，当撞击杆612与缓冲材料接触时，通过控制第一电磁阀602的放气时间来调整高压气流作用于冲击活塞611上的时间，协助调整应力脉冲的升压正压时间比，保证了应力脉冲的精度，冲击活塞611与加速管604之间设有密封圈，进行密封。

加速管604上设有第二电磁阀603和进气口615，在第一电磁阀602和第二电磁阀603处在关闭状态下时，通过进气口615向加速管604内通入气体，使冲击单元606在气体气压的作用下抬升复位，为后续进行冲击提供行程，通过控制进气口615进入的气量和气压，可以实现不同的冲击行程，在进行冲击之前，需要先打开第二电磁阀603，排出加速管604内冲击单元606下方的气体。

第一电磁阀602至少包括两个，第二电磁阀603至少包括两个，第一电磁阀602和第二电磁阀603具有不同的延时开启时间。

加速管604靠近限位套筒605的一端内设有密封圆盘614，撞击杆612贯穿密封圆盘614，当通过进气口615向加速管604内通入气体，使冲击单元606在气体气压的作用下抬升复位时，密封圆盘614的作用是防止气体泄漏，密封圆盘614与加速管604之间设有密封圈，进行密封，密封圆盘614与撞击杆612之间设有密封圈，进行密封。

加速管604包括第一加速管607和第二加速管608，第一加速管607的一端与第二加速管608的一端通过卡扣连接，第一加速管607的另一端与第一电磁阀602连通，第二加速管608的另一端与限位套筒605连通，第二加速管608上套设有外套管609，外套管609一端与第一加速管607固定连接，另一端与箱体2顶部的反力墙201固定连接，第二加速管608和外套管609之间开设有用于安装速度传感器的圆孔610，当撞击杆612通过圆孔610时，圆孔610中的速度传感器可以测量撞击杆612的瞬时速度。

具体的工作原理如下：

通过进水口301向第一水胶囊3内注入水，向第一油囊8中注入油，第一油囊8内压力上升，第一油囊8挤压第一水胶囊3，第一水胶囊3向深部岩体模拟材料试件1施加静水压力；向第二水胶囊4中注满水，使封水活塞402抬升至与限位套筒605接触，通过进油口506向第二油囊5中注入油，推动封油活塞503，第二油囊5压力提升，通过第二锥形壳体502加载于水胶囊4的第一锥形壳体403上，进而通过第一封闭空间405将静水压力加载于深部岩体模拟材料试件1当中，通过第一水胶囊3、第一油囊8、第二水胶囊4和第二油囊5的压力加载来模拟施加高地应力环境；当深部岩体模拟材料试件1当中的静水压力达到试验需求后，打开第一电磁阀602，使气室601内的气体进入加速管604内，驱动冲击单元606进入限位套筒605内冲击封水活塞402，冲击单元606产生应力脉冲并通过封水活塞402进入第二水胶囊4，在经过第一封闭空间405的过程中，应力脉冲波阵面不断扩大，形成与深部岩体模拟材料试件1等面积的平面波，进入舱体当中，模拟大当量爆炸地冲击扰动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：包括由反力墙(201)围成的箱体(2)，所述箱体(2)内容置深部岩体模拟材料试件(1)；所述箱体(2)侧面的反力墙(201)上均设有第一水胶囊(3)和第一油囊(8)，所述第一油囊(8)置于第一水胶囊(3)的周围，且第一油囊(8)与第一水胶囊(3)之间固定连接，所述第一油囊(8)向第一水胶囊(3)施加压力，所述第一水胶囊(3)向深部岩体模拟材料试件(1)施加压力；所述箱体(2)顶部反力墙(201)的底面上设有第二水胶囊(4)和第二油囊(5)，所述第二油囊(5)置于第二水胶囊(4)的周围，且第二油囊(5)与第二水胶囊(4)之间固定连接，所述第二油囊(5)向第二水胶囊(4)施加压力，所述第二水胶囊(4)向深部岩体模拟材料试件(1)施加压力；所述箱体(2)顶部反力墙(201)的顶面上设有液压冲击装置(6)，所述液压冲击装置(6)贯穿箱体(2)顶部的反力墙(201)，并冲击第二水胶囊(4)；

所述第二水胶囊(4)包括从上到下依次密封固定连接的第一限向管(401)、第一锥形壳体(403)和柔性橡胶(404)，所述第一限向管(401)与箱体(2)顶部反力墙(201)的底面活动连接，所述第一限向管(401)内设有封水活塞(402)，所述第一限向管(401)、第一锥形壳体(403)、柔性橡胶(404)和封水活塞(402)之间围成用于装水的第一封闭空间(405)，所述柔性橡胶(404)置于深部岩体模拟材料试件(1)的上方，所述封水活塞(402)上设有排气管(406)。

2.根据权利要求1所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述第二油囊(5)包括依次密封固定连接的第二限向管(501)、第二锥形壳体(502)和外圆环(504)，所述第二限向管(501)与箱体(2)顶部反力墙(201)的底面活动连接，所述第二限向管(501)套设于第一限向管(401)上，且与第一限向管(401)贴合固定连接，所述第二锥形壳体(502)与第一锥形壳体(403)贴合固定连接，所述外圆环(504)与第二限向管(501)平行且相对设置，所述第二限向管(501)和外圆环(504)之间设有封油活塞(503)，所述第二限向管(501)、第二锥形壳体(502)、外圆环(504)和封油活塞(503)之间围成用于装油的第二封闭空间(505)。

3.根据权利要求2所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述封水活塞(402)与第一限向管(401)之间设有密封圈，所述封油活塞(503)与外圆环(504)之间设有密封圈，所述封油活塞(503)与第二限向管(501)之间设有密封圈。

4.根据权利要求2所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述第一油囊(8)与箱体(2)侧面反力墙(201)之间设有四个第一液压油缸，四个第一液压油缸的固定端分别固定连接于箱体(2)侧面反力墙(201)的四个顶角位置处，四个第一液压油缸的活动端均与第一油囊(8)固定连接，四个第一液压油缸均带动第一油囊(8)和第一水胶囊(3)进行左右移动；所述第二油囊(5)与箱体(2)顶部反力墙(201)之间设有四个第二液压油缸(7)，四个第二液压油缸(7)的固定端分别固定连接于箱体(2)顶部反力墙(201)底面的四个顶角位置处，四个第二液压油缸(7)的活动端均与第二油囊(5)固定连接，四个第二液压油缸(7)均带动第二油囊(5)和第二水胶囊(4)进行上下移动。

5.根据权利要求1所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述液压冲击装置(6)包括从上到下依次连通的气室(601)、第一电磁阀(602)、加速管(604)和限位套筒(605)，所述限位套筒(605)贯穿箱体(2)顶部的反力墙(201)，并置于封水活塞(402)的上方，所述加速管(604)内设有冲击单元(606)，气室(601)内的高压气流经过第一电磁阀(602)后进入加速管(604)内，并驱动冲击单元(606)进入限位套筒(605)内冲击封水活塞(402)。

6.根据权利要求5所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述冲击单元(606)包括冲击活塞(611)和撞击杆(612)，所述冲击活塞(611)的一端与撞击杆(612)的一端通过法兰(613)连接，所述撞击杆(612)与封水活塞(402)之间设有缓冲材料，所述冲击活塞(611)与加速管(604)之间设有密封圈。

7.根据权利要求6所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述加速管(604)上设有第二电磁阀(603)和进气口(615)。

8.根据权利要求7所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述加速管(604)靠近限位套筒(605)的一端内设有密封圆盘(614)，所述撞击杆(612)贯穿密封圆盘(614)，所述密封圆盘(614)与加速管(604)之间设有密封圈，所述密封圆盘(614)与撞击杆(612)之间设有密封圈。

9.根据权利要求5至8中的任一项所述的一种深部岩体爆炸地冲击扰动模拟试验装置，其特征在于：所述加速管(604)包括第一加速管(607)和第二加速管(608)，所述第一加速管(607)的一端与第二加速管(608)的一端通过卡扣连接，所述第一加速管(607)的另一端与第一电磁阀(602)连通，所述第二加速管(608)的另一端与限位套筒(605)连通，所述第二加速管(608)上套设有外套管(609)，所述外套管(609)一端与第一加速管(607)固定连接，另一端与箱体(2)顶部的反力墙(201)固定连接，所述第二加速管(608)和外套管(609)之间开设有用于安装速度传感器的圆孔(610)。

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