CN112697572B - 适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，所述方法包括以下步骤：1)选择钻头的形状和直径d；2)确定钻头间距和数量；3)选择布钻器；4)确定岩体的状态与水温；5)确定加载方式和级别；6)各装置连接和初启；7)试验盒进仓安放；8)试验盒和螺纹止水管的连接；9)加热与通水；10)静置；11)加载；12)破碎压力、位移和效果确；13)试验盒出仓；14)清洗仪器：取出破碎试样，用干净的抹布将试验装置擦干，便于进行下次试验。本发明可以进行多种影响因素下岩石破碎试验，提高试验操作的便捷性，具有操作方便、效率高的特点。

Description

适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法

技术领域

本发明涉及泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，适用于泥质粉砂岩破碎，属建土工程技术领域。

背景技术

岩石破碎理论的研究对于岩层开挖有着重要的意义，在基坑开挖和煤矿石开挖过程中起着重要的指导作用，因此必须对岩石的破碎因素进行试验研究并指导实际工程。现有的专利中涉及岩石破碎的专利较少，且相关中采用的岩石破碎方法主要存在如下问题：1)钻头的数量、间距和直径没有考虑；2)相关方法未涉及可以开展有水环境下的岩石破碎试验；3)加载方式单一，没有考虑动静复合加载；4)破碎方法针对性不强，相关专利未涉及针对泥质粉砂岩的粉碎。

发明内容

为了克服上述不足和更好开展岩石破碎规律的研究，本发明提供了适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，可以进行多种影响因素下岩石破碎试验，提高试验操作的便捷性，具有操作方便、效率高的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，所述方法包括以下步骤：

1)选择钻头的形状和直径d：根据试样特性和试验影响因素，确定钻头的形状与直径d，试样分为塑性材料和脆性材料，钻头形状分为尖头、圆头和平头；

2)根据试样特性、试样尺寸和钻头直径d确定钻头间距D以及数量，塑性材料时D≤6d，脆性材料时D≤3d；

3)选择布钻器：根据钻头数量和钻头间距D选择相应的布钻器；

4)确定岩体的状态与水温：岩体分为饱和状态和非饱和状态，状态和水温根据实际工程确定；

5)确定加载方式和范围：加载方式分为静载或动载荷动静结合，加载范围根据岩石单轴抗压强度来确定；

6)各装置连接和初启，将钻头、布钻器和传力件连接；将保温水管与螺纹止水管连接；启动数据采集仪和计算机控制系统；

7)试验盒进仓安放：将采集的试样放入试验盒中，将绳索与试验盒上吊钩相连，利用计算机控制系统启动电动机将试验盒拉进试验箱中；当试验盒底部滚路滑动到轨道块上时停止拉动，液压升降器下降并与滚轮脱离，试验盒底部与试验箱底部自由接触；计算机控制系统启动电动机将吊门拉起完成试验箱封闭；

8)试验盒和螺纹止水管的连接：旋转螺纹止水管使止水头与橡胶止水条接触，在压力作用下，止水头和橡胶止水条可以有效隔水；

9)加热与通水：启动水箱完成加热，之后启动水泵开始往试验盒中注水，激光测距仪实时监测与水面距离，当水面高度大于等于试样高度时，计算机控制关闭水泵；

10)静置：泥质粉砂岩试样在温水中静置过程中，试样温度与水温逐渐一致，同时泥质粉砂岩在水中会发生一定程度崩解，在温度较高时会加速崩解；

11)加载：启动伺服作动器，通过钢化玻璃观察，使得试样与钻头稍微接触，开始从初始加载级别(例如0.5kN)进行加载，初始加载级别可以考虑岩体单轴抗压强度的1/10～1/20，试样未破碎则加载到下一级别，以此类推，直至试样破碎；

12)破碎压力、位移和效果确定：随着荷载的增加，试样持续破碎或者出现大位移时终止试验，记录此时压力和相应位移，获得破碎效果；

13)试验盒出仓；伺服作动器收缸，钻头离开水面，后启动水泵将试验盒中水抽离，然后启动电机，吊门会在重力作用下缓缓下落直至放平，启动液压升降器将试验盒抬升，逆向启动，由于导轨带有坡度，试验盒会在重力作用下，下滑直至离开试验箱；

14)清洗仪器：取出破碎试样，用干净的抹布将试验装置擦干，便于进行下次试验。

进一步，所述方法还包括以下步骤：

15)调整试验参数，包括钻头的形状、数量、直径d、岩体的状态、水温、加载方式和荷载大小，重复上述步骤5)-14)，获得各影响因素对破碎效果的变化规律。

所述步骤3)中，根据上述步骤2)中的参数选择整体呈7×7布置的布钻器，其中A布钻器为4×7布置，B布钻器为3×7布置。

所述步骤5)中，采用静载加载，实行分级加载；根据试样强度，加载最大荷载为5kN，分10次加载，每次加载0.5kN。

优选的，所述试验装置包括试验箱、固定支架、试验盒、伺服作动器、电动机、布钻器、螺纹止水管、水泵和恒温水箱；

所述固定支架上安装试验箱，所述试验箱上布设两套驱动电机，一套驱动电机通过绳索绕过定滑轮连接吊门上的吊钩，另外一套驱动电机通过绳索绕过定滑轮与试验盒上吊钩相连，所述吊门通过转轴与试验箱连接，吊门绕转轴旋转可以完成吊门的开关，当吊门完全打开时，吊门侧边与试验箱侧边相接触且吊门底部与试验箱的底部齐平；

试验箱底部布设液压升降器，每个液压升降器与轨道块连接，轨道块与导轨拼缝衔接，液压升降器达到上升极限时轨道块与轨道向齐，液压升降器达到下降极限时与滚轮脱离，当脱离时试验盒自由重力压在试验箱内室的底部；

试验箱与螺纹止水管通过螺纹连接，通过旋转螺纹止水管实现在试验箱中前进和后退；螺纹止水管一端设有环状的止水头，螺纹止水管的管头和止水头为弧形，所述螺纹止水管另一端与保温水管连接，所述保温水管通过水泵与恒温水箱连通；

试验盒采用无顶盖设置，四侧设有钢板；所述试验盒包括隔热板、滚轮、排水孔和橡胶止水条，试验盒底部与隔热板采用胶结，橡胶止水条与止水头连接，滚轮位于导轨上；

所述伺服作动器与传力件连接，所述传力件设有个弹簧卡扣，弹性卡扣与布钻器连接，所述布钻器位于所述试验盒的试样放置工位的上方。

本发明的有益效果主要表现在：(1)本方法充分考虑了钻头形式、数量和间距对岩石破碎的影响，并依据岩石自身特性确定钻头形式、数量和间距。(2)本方法考虑了在含水量和温度对岩石破碎的影响，通过热水来实现与试样的热交换和水交换。(3)考虑多种加载方式对岩石破碎的影响，采用静载、动载以及动静复合加载等方式进行加载，其中动静复合加载可以动静加载的频率。(4)泥质粉砂岩在水中会发生崩解，针对这一特性，本方法将试样静置水中从而加速试样崩解，继而加快岩石试样破碎。

附图说明

图1是适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验装置的结构示意图。

图2是试验盒进出的结构示意图。

图3是试验箱侧视图。

图4是试验箱俯视图。

图5是布钻器和传力件的连接示意图。

图6是吊门和试验盒的连接示意图。

图7是布钻器的平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，所述方法包括以下步骤：

1)选择钻头的形状和直径d：根据试样特性和试验影响因素，确定钻头的形状与直径d，试样分为塑性材料和脆性材料，钻头形状分为尖头、圆头、和平头，该实施例中试样泥质粉砂岩为塑性材料，因此钻头采用尖头，直径d为1cm；

2)确定钻头间距和数量：根据试样特性、试样尺寸和钻头直径d确定钻头间距D和数量，塑性材料时D≤6d，脆性材料时D≤3d。该实施例中试样泥质粉砂岩为塑性材料，因此钻头间距D取值为5d，即D＝5cm。为保证破碎效果，钻头均布试样上，钻头功用25个，呈现5×5布置。

3)选择布钻器：根据钻头数量和钻头间距D选择相应的布钻器，根据上述步骤2)中的参数选择整体呈7×7布置的布钻器，其中A布钻器为4×7布置，B布钻器为3×7布置。

4)确定岩体的状态与水温：岩体分为饱和状态和非饱和状态，状态和水温根据实际工程确定，采用30°的饱和状态进行试验。

5)确定加载方式和级别：加载方式分为静载，动载荷动静结合。本实施例中，采用静载加载，实行分级加载；根据试样强度，本次加载最大荷载为5kN，分10次加载，每次加载0.5kN。

6)各装置连接和初启：将钻头、A布钻器、B布钻器和传力件连接；将保温水管与螺纹止水管连接；启动数据采集仪和计算机控制系统。

7)试验盒进仓安放：将采集的试样放入试验盒中，将绳索与试验盒上吊钩相连，利用计算机控制系统启动电动机将试验盒拉进试验箱中。当试验盒底部滚路滑动到轨道块上时停止拉动，液压升降器下降并与滚轮脱离，试验盒底部与试验箱底部自由接触。计算机控制系统启动电动机将吊门拉起完成试验箱封闭。

8)试验盒和螺纹止水管的连接：旋转螺纹止水管使止水头与橡胶止水条接触，在压力作用下，止水头和橡胶止水条可以有效隔水。

9)加热与通水：启动水箱完成加热，之后启动水泵开始往试验盒中注水，激光测距仪实时监测与水面距离，当水面高度大于等于试样高度时，计算机控制关闭水泵。

10)静置：泥质粉砂岩试样在温水中静置过程中，试样温度与水温逐渐一致，同时泥质粉砂岩在水中会发生一定程度崩解，在温度较高时会加速崩解；

11)加载：启动伺服作动器，通过钢化玻璃观察，使得试样与钻头稍微接触，开始从初始加载级别进行加载，初始加载级别可以考虑岩体单轴抗压强度的1/10～1/20，初始加载级别为0.5kN，试样未破碎则加载到下一级别，以此类推，直至试样破碎。

12)破碎压力、位移和效果确定：随着荷载的增加，试样持续破碎或者出现大位移时终止试验，记录此时压力和相应位移，获得破碎效果。

13)试验盒出仓：伺服作动器收缸，钻头离开水面，后启动水泵将试验盒中水抽离，然后启动电机，吊门会在重力作用下缓缓下落直至放平。启动液压升降器17将试验盒抬升，逆向启动，由于导轨带有坡度，试验盒会在重力作用下，下滑直至离开试验箱。

14)清洗仪器：取出破碎试样，用干净的抹布将试验装置擦干，便于进行下次试样；

15)调整试验参数，包括钻头的形状、数量、直径d、岩体的状态、水温、加载方式和荷载大小，重复上述步骤5)-14)，获得各影响因素对破碎效果的变化规律。

本实施例的试验装置包括试验箱1；固定支架2；试验盒3；试样4；温水5；隔热板6；滚轮7；排水孔8；橡胶止水条9；伺服作动器10；A导轨111；B导轨112；吊门12；吊钩13；定滑轮14；绳索15；驱动电机16；液压升降器17；轨道块18；钻头19；A布钻器201；B布钻器202；弹簧卡扣21；传力件22；激光测距仪23；螺纹止水管24；止水头25；保温水管26；水泵27；恒温水箱28；数据采集仪29和计算机控制系统30。

其中，试验箱1上布设4个电机16，其中两个通过绳索15绕过定滑轮14连接吊门12上的吊钩13，另外两个通过绳索15绕过定滑轮14与试验盒3上吊钩相连。吊门12通过转轴17与试验箱1连接，吊门12绕转轴17旋转可以完成吊门12的开关。吊门12打开角度为0°～90°，当吊门打开至90°时，吊门12侧边与试验箱1侧边相接触且吊门12与试验箱1的底部齐平，避免吊门悬空不利于受力，便于试验盒3移动过程中更好的将力传递给地面。试验箱1底部布设4个液压升降器17，每个液压升降器1与轨道块18焊接，轨道块18与导轨11的剖面形状相似，便于轨道块18可以与导轨11拼缝衔接，滚轮7可以从导轨11上过来时顺畅滑动。液压升降器17达到上升极限时轨道块与轨道向齐，液压升降器17达到下降极限时与滚轮7脱离，当脱离时试验盒3自由重力压在试验箱1内室的底部。试验箱1与螺纹止水管24通过螺纹连接，通过旋转螺纹止水管24实现在试验箱中前进和后退。螺纹止水管24一端设有环状的止水头25，螺纹止水管24的管头和止水头为弧形，加强止水效果，另一端与保温水管26连接。试验盒3采用无顶盖设置，便于放置试样4，试验盒四侧设有钢板，拦截岩石破碎过程中飞溅的石块。试验盒3包括隔热板6、滚轮7、排水孔8和橡胶止水条9。试验盒3底部与隔热板6采用胶结，橡胶止水条9与止水头25连接，滚轮7可以在导轨11上滑动。A导轨111在试验盒3底部，B导轨112在吊门12上，当吊门打开至90°时，A导轨111与B导轨112齐平。

传力件22与设有4个弹簧卡扣21，弹簧卡扣21顶部为圆弧状，可以上下伸缩。A布钻器201与B布钻器202各设有凹槽，传力件22可以嵌入其中，同时通过弹簧卡扣21完成固定。伺服作动器10、驱动电机16、水泵27和数据采集仪29与计算机控制系统30连接，并受其控制。

进一步，所述B导轨112带有坡度，在自由重力下试验盒3可以在导轨上滑出试验箱1。所述导轨11长度有限，试验盒3前进距离有限。所述A导轨111左侧设有空腔，便于B导轨112可以完成旋转。所述B导轨112右侧设有带有直角，吊门完全开启后可以实现A导轨111和B导轨112无空挡衔接。

再进一步，橡胶止水条9的内径略小于止水头25的外径。

再进一步，A布钻器201和B布钻器202上的钻孔布置可以自行定制，且二者不是同等大小，避免拼缝位于传力件中间，且各有两个凹槽与穿力器上弹簧卡扣对应，传力器和布钻器凹凸形设计。

本实施例中试验箱的箱体内部长宽高尺寸为1000mm×1000mm×1000mm，整体采用型钢焊接组成框架，箱体四侧除吊门和螺纹止水管24采用钢板，其余两侧采用有机玻璃作为箱壁；恒温水箱功率为30kW，可以设置温度；保温水管26外2cm厚包隔热棉，试样采用中风化泥质粉砂岩，抗压强度为20MPa试样尺寸为300mm×300mm×50mm。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种适用于泥质粉砂岩破碎的室内试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)选择钻头的形状和直径d：根据试样特性和试验影响因素，确定钻头的形状与直径d，试样分为塑性材料和脆性材料，钻头形状分为尖头、圆头和平头；

2)确定钻头间距和数量：根据试样特性、试样尺寸和钻头直径d确定钻头间距D以及数量，塑性材料时D≤6d，脆性材料时D≤3d；

3)选择布钻器：根据钻头数量和钻头间距D选择布钻器；

4)确定岩体的状态与水温：岩体分为饱和状态和非饱和状态，状态和水温根据实际工程确定；

5)确定加载方式和级别：加载方式分为静载或动载荷动静结合；

6)各装置连接和初启，将钻头、布钻器和传力件连接；将保温水管与螺纹止水管连接；启动数据采集仪和计算机控制系统；

7)试验盒进仓安放：将采集的试样放入试验盒中，将绳索与试验盒上吊钩相连，利用计算机控制系统启动电动机将试验盒拉进试验箱中；当试验盒底部滚路滑动到轨道块上时停止拉动，液压升降器下降并与滚轮脱离，试验盒底部与试验箱底部自由接触；计算机控制系统启动电动机将吊门拉起完成试验箱封闭；

8)试验盒和螺纹止水管的连接：旋转螺纹止水管使止水头与橡胶止水条接触，在压力作用下，止水头和橡胶止水条可以有效隔水；

9)加热与通水：启动水箱完成加热，之后启动水泵开始往试验盒中注水，激光测距仪实时监测与水面距离，当水面高度大于等于试样高度时，计算机控制关闭水泵；

10)静置：泥质粉砂岩试样在温水中静置过程中，试样温度与水温逐渐一致，同时泥质粉砂岩在水中会发生一定程度崩解，在温度较高时会加速崩解；

11)加载：启动伺服作动器，通过钢化玻璃观察，使得试样与钻头稍微接触，开始从初始加载级别进行加载，初始加载级别可以考虑岩体单轴抗压强度的1/10～1/20，试样未破碎则加载到下一级别，以此类推，直至试样破碎；

12)破碎压力、位移和效果确定：随着荷载的增加，试样持续破碎或者出现大位移时终止试验，记录此时压力和相应位移，获得破碎效果；

13)试验盒出仓；伺服作动器收缸，钻头离开水面，后启动水泵将试验盒中水抽离，然后启动电机，吊门会在重力作用下缓缓下落直至放平，启动液压升降器将试验盒抬升，逆向启动，由于导轨带有坡度，试验盒会在重力作用下，下滑直至离开试验箱；

14)清洗仪器：取出破碎试样，用干净的抹布将试验装置擦干，便于进行下次试验。

2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

15)调整试验参数，包括钻头的形状、数量、直径d、岩体的状态与水温、加载方式和荷载大小，重复上述步骤5)-14)，获得各影响因素对破碎效果的变化规律。

3.如权利要求1或2所述的试验方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据上述步骤2)中的参数选择整体呈7×7布置的布钻器，其中A布钻器为4×7布置，B布钻器为3×7布置。

4.如权利要求1或2所述的试验方法，其特征在于，所述步骤5)中，采用静载加载，实行分级加载；根据试样强度，加载最大荷载为5kN，分10次加载，每次加载0.5kN。

5.如权利要求1或2所述的试验方法，其特征在于，所述试验装置包括试验箱、固定支架、试验盒、伺服作动器、电动机、布钻器、螺纹止水管、水泵和恒温水箱；

所述固定支架上安装试验箱，所述试验箱上布设两套驱动电机，一套驱动电机通过绳索绕过定滑轮连接吊门上的吊钩，另外一套驱动电机通过绳索绕过定滑轮与试验盒上吊钩相连，所述吊门通过转轴与试验箱连接，吊门绕转轴旋转可以完成吊门的开关，当吊门完全打开时，吊门侧边与试验箱侧边相接触且吊门底部与试验箱的底部齐平；

试验箱底部布设液压升降器，每个液压升降器与轨道块连接，轨道块与导轨拼缝衔接，液压升降器达到上升极限时轨道块与轨道向齐，液压升降器达到下降极限时与滚轮脱离，当脱离时试验盒自由重力压在试验箱内室的底部；

试验箱与螺纹止水管通过螺纹连接，通过旋转螺纹止水管实现在试验箱中前进和后退；螺纹止水管一端设有环状的止水头，螺纹止水管的管头和止水头为弧形，所述螺纹止水管另一端与保温水管连接，所述保温水管通过水泵与恒温水箱连通；

试验盒采用无顶盖设置，四侧设有钢板；所述试验盒包括隔热板、滚轮、排水孔和橡胶止水条，试验盒底部与隔热板采用胶结，橡胶止水条与止水头连接，滚轮位于导轨上；

所述伺服作动器与传力件连接，所述传力件设有4个弹簧卡扣，弹性卡扣与布钻器连接，所述布钻器位于所述试验盒的试样放置工位的上方。