CN115561083A - 深部岩体动力性能试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深部岩体动力性能试验系统及方法，属于深部岩体试验装置领域。该系统包括试验主体框架、组合式限位装置、复合动静加载模块、高精度监测模块、智能加载控制模块和数据存储模块。试验主体框架用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力。组合式限位装置用于装夹试验对象。复合动静加载模块中的任一动静式气液复合缸能够模拟不同的动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载。高精度监测模块用于监测试验过程数据。智能加载控制模块控制加载方式。数据存储模块用于对数据进行存储与处理。本发明的系统能够根据现场工程地质条件，在试验室中模拟不同工况下复合动力灾害发生的情形。

Description

深部岩体动力性能试验系统及方法

技术领域

本发明涉及深部岩体试验装置领域，尤其涉及深部岩体动力性能试验系统及方法。

背景技术

随着全球经济迅速发展，地球浅部资源逐渐枯竭，煤矿和有色金属矿开采深度早已超过千米。当煤矿进入深部开采后，高应力环境加上工程扰动易使能量煤岩体向着开挖临空面瞬间释放能量，发生岩爆、矿震和冲击地压等动力灾害，增加了巷道维护的困难程度，对现场工作人员和机械设备的运转造成极大威胁。由于现场工程与地质条件的复杂，不同工作区域内的动力灾害发生往往不是单一出现的。因此，能够在试验室中模拟上述动力灾害的发生过程，研究各类灾害的发生机理与破坏机制，明确不同工程岩体在灾害发生的时的动力学性能，有助于预警灾害和提供深部工程灾害防控的设计依据，从而保证施工人员的生命安全和工程的顺利进行。

目前的试验系统已从单轴、双轴向三轴发展。当开采进入深部以后，三轴压力状态将使煤岩体呈现出另一种本构特征，在此状态下的煤岩体受扰动后更容易诱发动力灾害。利用不同的三轴试验系统，能够真实地模拟深部工程岩体所处地应力环境，更真实地反映岩体破坏过程。现有的真三轴模拟试验系统或者假三轴模拟试验系统都是单一试验系统，均无法根据工程环境与地质状况灵活的组合系统加载方式，以真实模拟现场边界条件下复合动力灾害发生的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深部岩体动力性能试验系统，该系统能够跟根据工程地质条件模拟现场状况下复合动力扰动导致灾害发生的情况，明确岩体的动力性能，揭示深部岩体受复合扰动而破坏诱发的机制。

本发明的目的还在于提供一种应用上述试验系统的深部岩体动力性能试验方法。

为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种深部岩体动力性能试验系统，包括：

试验主体框架，用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力；

组合式限位装置，用于装夹试验对象，以对试验对象采用不同方式的加载进行试验，包括可调节式底座、第一组合式限位模块和第二组合式限位模块；

复合动静加载模块，包括对应安装在所述试验主体框架的顶部及四周的多个动静式气液复合缸，每一动静式气液复合缸能够根据模拟的不同动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载；

高精度监测模块，用于实时监测试验过程数据及试验对象内部损伤发育情况，包括动态力学参数传感单元、图像采集单元、扫描成像单元；

智能加载控制模块，包括中心控制台、液压泵站和气压泵站，所述中心控制台与所述液压泵站、所述气压泵站及所述高精度监测模块相连，所述液压泵站和所述气压泵站经对应的回路与所述多个动静式气液复合缸相连，所述中心控制台配置成根据外部指令转换为内部控制指令，控制所述液压泵站和所述气压泵站对所述复合动静加载模块进行调控以控制加载方式，所述中心控制台还用于设置所述高精度监测模块的参数；以及

数据存储模块，与所述智能加载控制模块、所述高精度监测模块及智能终端连接，用于对接收到试验过程中的数据进行存储与处理，并且允许智能终端对数据进行读取和操作。

根据本发明的一实施方式，其中，每一动静式气液复合缸配置有静载加载、扰动加载、冲击加载及卸载模式，其中，所述静载加载模式用于模拟深部岩体所处的高地应力环境，以对所述试验对象提供持续稳定的压力，所述扰动加载模式和所述冲击加载模式用于模拟深部岩体所受到动力灾害，以在所述静载加载模式下同时提供不同频率组合的强、弱扰动冲击。

根据本发明的一实施方式，其中，所述静载加载模式和所述扰动加载模式均通过液压实现，所述冲击加载模式通过气压实现。

根据本发明的一实施方式，其中，每一动静式气液复合缸包括：

第一至第三腔体，每一腔体均为两端开口中间中空的回转体，第一腔体的内壁处设有台阶，以将第一腔体的内腔分为相互连通的左腔室和右腔室，第二腔体安装在所述右腔室中，所述第二腔体与所述右腔室的结合面处留有间隙，以连通所述左腔室和所述右腔室，所述第三腔体安装在所述第一腔体的末端处；

前盖及后盖，前盖安装在所述第一腔体中未安装所述第二腔体的开口端处，后盖安装在所述第三腔体中未与所述第一腔体连接的开口端处；

活塞杆，安装在所述第一腔体的左腔室中，且活塞杆的一端由所述前盖伸入，活塞杆的另一端由所述第二腔体的一端伸入其内部，活塞杆将所述左腔室分隔为第一液压油腔和第二液压油腔，所述第一液压油腔处设有第一油压口，所述第二液压油腔处设有第二油压口，

稳压活塞，套在所述第二腔体的外壁处，并将所述第一腔体的右腔室分为第三液压油腔和第一气压腔，所述第三液压油腔与所述第二液压油腔连通；以及

冲击杆，安装在所述第三腔体且一端伸入所述第二腔体，以将所述第三腔体内部分隔为第二气压腔和第三气压腔；

其中，所述第三腔体中设有第一气压口和第二气压口，第一气压口连通所述第一气压腔，第二气压口连通所述第二气压腔，所述后盖中设有第三气压口，第三气压口连通所述第三气压腔。

根据本发明的一实施方式，其中，所述扫描成像单元垂直于所述组合式限位装置，用于实时监测试验过程中试验对象内部损伤发育情况并输出三维模型，所述动态力学参数传感单元包括高精度力-位移传感器、微震监测元件及应变监测元件，所述图像采集单元包括高速摄像机、红外温度监测仪及DIC测量分析仪。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第一组合式限位模块包括：

多组传力杆和加载压头，每组传力杆和加载压头可拆卸连接，每组传力杆和加载压头对应一个动静式气液复合缸，对应的传力杆与对应的动静式气液复合缸连接，对应的加载压头挤压所述试验对象的对应表面；

一个锁扣式底座，安装在所述可调节式底座处，且位于所述试验对象的底部处；

其中，每个动静式气液复合缸通过所述智能加载控制模块单独控制，以实现对所述试验对象的三向五面不均压加载，或者任意四周加载面的突然卸载。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第二组合式限位模块包括：

高压密封舱，用于放置所述试验对象，通过液压回路与所述液压泵站相连接，且通过所述智能加载控制模块控制，用于对其内的所述试验对象施加相等的围压；

限位底座，固定连接在所述高压密封舱的底部，用于安装在所述可调节式底座处，和

竖向加载杆，连接在所述高压密封舱的顶部，用于与顶部的动静式气液复合缸连接，以对所述试验对象进行竖向复合动静加载。

根据本发明的一实施方式，其中，所述高压密封舱处设有：

照明元件，用于照明；

温度调节器，用于对所述高压密封舱内的液压流体加热，以模拟高温地质环境；和

观测窗口，便于所述图像采集单元采集所述试验对象的图像。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，包括下述步骤：

将所述第一组合式限位模块的锁扣式底座安装于所述可调节式底座上并旋转锁紧后，并安置所述试验对象于所述可调节式底座的中央标准线以内；

将每组加载压头与传力杆连接后安装于对应的动静式气液复合缸处，并使所述加载压头正对所述试验对象表面；

在所述试验对象表面涂抹耦合涂料并安装所述监测元件于加载压头中或者所述试验对象表面，控制动静式气液复合缸推动对应的传力杆使对应的加载压头与所述试验对象的外表面紧密贴合；

将所述图像采集单元安装在所述试验对象周围，确保试所述验对象在监测设置范围以内，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；

开始进行试验并加载应力达到地应力状态，卸载若干加载面使加载压头脱落，模拟现场工程开挖状态；

保持当前加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；

当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块供试验人员调用。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，包括下述步骤：

将所述试验对象的外部包裹耐高温隔水材料并安置于所述第二组合式限位模块的高压密封舱内；

将所述限位底座安装于所述可调节式底座上并锁紧，使所述竖向加载杆连接于顶部的动静式气液复合缸；

将液压回路接至所述高压密封舱对应位置，安装所述图像采集单元正对所述高压密封舱的观测窗口，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；

将所述竖向加载杆贴紧所述试验对象的顶部加载面，启动所述液压泵站注满所述高压密封舱；

开始进行试验并加载应力达到预设状态，保持加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；或者，加载应力达到预设状态，然后启动温度调节器并保持加载状态一段时间后，继续进行加载；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；

当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块以供试验人员取用。

本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：

本发明深部岩体动力性能试验系统，包括试验主体框架、组合式限位装置、复合动静加载模块、高精度监测模块、智能加载控制模块和数据存储模块。试验主体框架用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力。组合式限位装置用于装夹试验对象。复合动静加载模块中的每一动静式气液复合缸能够根据模拟的不同动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载。高精度监测模块用于监测试验过程数据。智能加载控制模块控制加载方式。数据存储模块用于对数据进行存储与处理。故本发明的系统能够根据现场工程地质条件，在试验室中模拟不同工况下复合动力灾害发生地情形。

本发明通过在试验室中模拟上述复合动力灾害的发生过程，研究各类灾害的发生机理与破坏机制，明确不同工程岩体破坏时的力学行为，可以为深部工程灾害防控设计提供依据。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种深部岩体动力性能试验系统的示意性整体结构图；

图2是根据另一示例性实施方式示出的一种深部岩体动力性能试验系统的示意性整体结构图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种第一组合式限位模块示意图；

图4是根据一示例性实施方式示出的一种第二组合式限位模块示意图；

图5是根据一示例性实施方式示出的一种动静式气液复合缸示意图；

图6是根据一示例性实施方式示出的第一组合式限位模块试验加载路径示意图；

图7是根据一示例性实施方式示出的第二组合式限位模块试验加载路径示意图。

其中，附图标记说明如下：

100深部岩体动力性能试验系统，

1试验对象，

10试验主体框架，

20组合式限位装置，21可调节式底座，22第一组合式限位模块，221传力杆，222加载压头，223锁扣式底座，23第二组合式限位模块，231竖向加载杆，232高压密封舱，233温度调节器，234第一观测窗口，235第二观测窗口，236限位底座，

30复合动静加载模块，31动静式气液复合缸，301前盖，302第一腔体，303第一液压油腔，304第二液压油腔，305第三液压油腔，306稳压活塞，307第一气压口，308第三腔体，309冲击杆，310第三气压腔，311第二气压口，312第三气压口，313后盖，314第二气压腔，315第一气压腔，316第二腔体，317第二油压口，318台阶，319活塞杆，320第一油压口，321橡胶垫圈，

40高精度监测模块，41图像采集单元，42扫描成像单元，

50智能加载控制模块，51中心控制台，52气压泵站，53气压回路，54液压泵站，55液压回路，

60数据存储模块。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用于表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用于表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

如图1-图7所示，图1是根据一示例性实施方式示出的一种深部岩体动力性能试验系统的示意性整体结构图。图2是根据另一示例性实施方式示出的一种深部岩体动力性能试验系统的示意性整体结构图。图3是根据一示例性实施方式示出的一种第一组合式限位模块示意图。图4是根据一示例性实施方式示出的一种第二组合式限位模块示意图。图5是根据一示例性实施方式示出的一种动静式气液复合缸示意图。图6是根据一示例性实施方式示出的第一组合式限位模块试验加载路径示意图。图7是根据一示例性实施方式示出的第二组合式限位模块试验加载路径示意图。

如图1所示，还可参见图2-图7，本发明实施例的深部岩体动力性能试验系统100，一般性可以包括：试验主体框架10、组合式限位装置20（参见图3）、复合动静加载模块30、高精度监测模块40（参见图2）、智能加载控制模块50和数据存储模块60（参见图2）。试验主体框架10用于安装复合动静加载模块30、放置组合式限位装置20及提供约束反力。组合式限位装置20用于装夹试验对象1，以对试验对象1采用不同方式的加载进行试验。组合式限位装置20包括可调节式底座21、第一组合式限位模块22和第二组合式限位模块23。具体实施时，试验主体框架10的前后方向可以通过电机带动丝杠螺母实现往返直线运动。试验主体框架10的上、下方向及左、右方向的调节可以通过加长或缩短第一组合式限位模块22（参见图3）或第二组合式限位模块23（参见图4）的长度实现。复合动静加载模块30包括对应安装在所述试验主体框架10的顶部及四周的多个动静式气液复合缸31。每一动静式气液复合缸31能够根据模拟的不同动力灾害以对试验对象1进行加载和快速卸载。如图2所示，高精度监测模块40用于实时监测试验过程数据及试验对象1内部损伤发育情况。高精度监测模块40包括动态力学参数传感单元（图中未绘出）、图像采集单元41、扫描成像单元42。智能加载控制模块50包括中心控制台51、液压泵站54和气压泵站52。所述中心控制台51与所述液压泵站54、所述气压泵站52及所述高精度监测模块40相连。所述液压泵站54和所述气压泵站52经对应的液压回路55、气压回路53与所述多个动静式气液复合缸31相连。所述中心控制台51配置成根据外部指令转换为内部控制指令，控制所述液压泵站54和所述气压泵站52对所述复合动静加载模块30进行调控以控制加载方式，所述中心控制台51还用于设置所述高精度监测模块40的参数。数据存储模块60与所述智能加载控制模块50、所述高精度监测模块40及智能终端连接，用于对接收到试验过程中的数据进行存储与处理，并且允许智能终端对数据进行读取和操作。智能终端可以是手机、Pad或电脑等终端设备。

本实施例中，试验对象1是现场取回的岩样品所加工的试件。

本发明深部岩体动力性能试验系统100，其中，试验主体框架10用于安装复合动静加载模块30、放置组合式限位装置20及提供约束反力。组合式限位装置20用于装夹试验对象1。复合动静加载模块30中的每一动静式气液复合缸31能够根据模拟的不同动力灾害，以对试验对象1进行加载和快速卸载。高精度监测模块40用于监测试验过程数据。智能加载控制模块50控制加载方式。数据存储模块60用于对数据进行存储与处理。故本发明的系统能够根据现场工程地质条件，在试验室中模拟不同工况下复合动力灾害发生地情形。

本发明通过在试验室中模拟上述复合动力灾害的发生过程，研究各类灾害的发生机理与破坏机制，明确不同工程岩体破坏时的力学行为，可以为深部工程灾害防控设计提供依据。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，每一动静式气液复合缸31配置有静载加载模式、扰动加载模式、冲击加载模式及卸载模式。其中，所述静载加载模式用于模拟深部岩体所处的高地应力环境，以对所述试验对象1提供持续稳定的压力。所述扰动加载模式和所述冲击加载模式用于模拟深部岩体所受到动力灾害，以在所述静载加载模式下同时提供不同频率组合的强、弱扰动冲击。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述静载加载模式和所述扰动加载模式均通过液压实现，所述冲击加载模式通过气压实现。

在本发明的一个优选实施例中，如图5所示，每一动静式气液复合缸31是集静载加载、扰动加载、冲击加载及卸载于一体化的缸。更具体地，如图5所示，每一动静式气液复合缸31一般性可以包括：第一腔体302、第二腔体316、第三腔体308、前盖301、后盖313、活塞杆319、稳压活塞306、冲击杆309和橡胶垫圈321。第一腔体302、第二腔体316、第三腔体308中的每一腔体均为两端开口中间中空的回转体。第一腔体302的内壁处设有台阶318，以将第一腔体302的内腔分为相互连通的左腔室和右腔室。第二腔体316安装在所述右腔室中。所述第二腔体316与所述右腔室的结合面处留有间隙，以连通所述左腔室和所述右腔室。所述第三腔体308安装在所述第一腔体302的末端处。前盖301安装在所述第一腔体302中未安装所述第二腔体316的开口端处。后盖313安装在所述第三腔体308中未与所述第一腔体302连接的开口端处。活塞杆319安装在所述第一腔体302的左腔室中，且活塞杆319的一端由所述前盖301伸入，活塞杆319的另一端由所述第二腔体316的一端伸入第二腔体316内部，活塞杆319将所述左腔室分隔为第一液压油腔303和第二液压油腔304。所述第一液压油腔303处设有第一油压口320，所述第二液压油腔304处设有第二油压口317。稳压活塞306套在所述第二腔体316的外壁处，并将所述第一腔体302的右腔室分为第三液压油腔305和第一气压腔315。所述第三液压油腔305与所述第二液压油腔304连通。冲击杆309安装在所述第三腔体308且一端伸入所述第二腔体316，以将所述第三腔体308内部分隔为第二气压腔314和第三气压腔310。其中，所述第三腔体308中设有第一气压口307和第二气压口311。第一气压口307连通所述第一气压腔315。第二气压口311连通所述第二气压腔314。所述后盖313中设有第三气压口312。第三气压口312连通所述第三气压腔310。

如图5所示的每一动静式气液复合缸31，同时增加了稳压结构，即稳压活塞306结构。由于试验对象1破坏或者扰动/震动加载过程中活塞杆319会产生一定微小位移，造成液压油压力的不稳定震荡。而液压油的增压反映速度较慢，所以通过反映速度较快的气压进行应力补偿，减少加载中的震荡现象。

当安置好试验对象1后。如图5所示，第一气压口307进气增压，使稳压活塞306压到底，停止增压。第二液压油腔304进油推动活塞杆319前进，使加载压头222贴紧试验对象1表面。第一气压口307略放气，使稳压活塞306前后表面压力相同，准备开始试验。

每一动静式气液复合缸31的静载加载：第二油压口317、第一气压口307同时按照预设模式加载至地应力状态。

每一动静式气液复合缸31的扰动加载：由智能加载控制模块50的控制中心控制液压泵中的液压伺服单元控制第二液压油腔304压力周期反复，实现力的扰动加载。

每一动静式气液复合缸31的卸载：油压、气压同时卸载，加载力瞬间下降，实现某一加载面瞬时卸载，既模拟临空面受力状况。

每一动静式气液复合缸31的冲击加载：第二气压口311进气冲击杆309回撤；第二气压口311、第三气压口312增加至预设状态；第二气压口311放气同时出气阀门开启，实现冲击加载。

在本发明的一个优选实施例中，如图2所示，所述扫描成像单元42垂直于所述组合式限位装置20，用于实时监测试验过程中试验对象1内部损伤发育情况并输出三维模型。所述动态力学参数传感单元包括高精度力-位移传感器、微震监测元件及应变监测元件。所述图像采集单元41包括高速摄像机、红外温度监测仪及DIC测量分析仪。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，所述第一组合式限位模块22一般性包括：多组传力杆221和加载压头222，及一个锁扣式底座223。多组传力杆221和加载压头222中的每组传力杆221和加载压头222可拆卸连接。每组传力杆221和加载压头222对应一个动静式气液复合缸31。对应的传力杆221与对应的动静式气液复合缸31连接，对应的加载压头222挤压所述试验对象1的对应表面。一个锁扣式底座223安装在所述可调节式底座21处，且位于所述试验对象1的底部处。其中，每个动静式气液复合缸31通过所述智能加载控制模块50单独控制，以实现对所述试验对象1的三向五面不均压加载，或者任意四周加载面的突然卸载。

在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，所述第二组合式限位模块23一般性可以包括：高压密封舱232、限位底座236和竖向加载杆231。高压密封舱232用于放置所述试验对象1，通过液压回路55与所述液压泵站54相连接。高压密封舱232通过所述智能加载控制模块50控制，用于对其内的所述试验对象1施加相等的围压。限位底座236固定连接在所述高压密封舱232的底部，用于安装在所述可调节式底座21处。竖向加载杆231连接在所述高压密封舱232的顶部，用于与顶部的动静式气液复合缸31连接，以对所述试验对象1进行竖向复合动静加载。

根据本发明的一实施方式，其中，所述高压密封舱232处设有：照明元件、温度调节器233和观测窗口。照明元件用于照明。温度调节器233用于对所述高压密封舱232内的液压流体加热，以模拟高温地质环境。观测窗口便于所述图像采集单元41采集所述试验对象1的图像。本实施例，观测窗口有两个分别为第一观测窗口234和第二观测窗口235。

参见图1-图6，在本发明另一实施例中，提供了一种应用上述的深部岩体动力性能试验系统100的深部岩体动力性能试验方法，实现由于工程开挖加上扰动影响而造成的岩体动力破坏现象。该试验方法包括下述步骤：

将所述第一组合式限位模块22的锁扣式底座223安装于所述可调节式底座21上并旋转锁紧后，并安置所述试验对象1于所述可调节式底座21的中央标准线以内；

将每组加载压头222与传力杆221连接后安装于对应的动静式气液复合缸31处，并使所述加载压头222正对所述试验对象1表面；

在所述试验对象1表面涂抹耦合涂料并安装所述监测元件于加载压头222中或者所述试验对象1表面，控制动静式气液复合缸31推动对应的传力杆221使对应的加载压头222与所述试验对象1的外表面紧密贴合；

将所述图像采集单元41安装在所述试验对象1周围，确保试所述验对象在监测设置范围以内，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元41接收传输功能是否正常；

开始进行试验并加载应力达到地应力状态，卸载若干加载面使加载压头222脱落，模拟现场工程开挖状态；

保持当前加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块40开始数据采集；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径（如图6所示）对所述试验对象1进行持续加载；

当所述试验对象1出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块40停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块60供试验人员调用。

参见图1-图5及图7，在本发明另一实施例中，提供了一种应用上述的深部岩体动力性能试验系统100的深部岩体动力性能试验方法，可以实现非开挖岩体受扰动破坏的试验过程模拟。该试验方法包括下述步骤：

将所述试验对象1的外部包裹耐高温隔水材料并安置于所述第二组合式限位模块23的高压密封舱232内；

将所述限位底座236安装于所述可调节式底座21上并锁紧，使所述竖向加载杆231连接于顶部的动静式气液复合缸31；

将液压回路55接至所述高压密封舱232对应位置，安装所述图像采集单元正对所述高压密封舱232的观测窗口，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元41接收传输功能是否正常；

将所述竖向加载杆231贴紧所述试验对象1的顶部加载面，启动所述液压泵站54注满所述高压密封舱232；

开始进行试验并加载应力达到预设状态，保持加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块40开始数据采集；或者，加载应力达到预设状态，然后启动温度调节器233并保持加载状态一段时间后，继续进行加载；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径（如图7所示）对所述试验对象1进行持续加载；

当所述试验对象1出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块40停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块60以供试验人员取用。

在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，包括：

试验主体框架，用于安装复合动静加载模块、放置组合式限位装置及提供约束反力；

组合式限位装置，用于装夹试验对象，以对试验对象采用不同方式的加载进行试验，包括可调节式底座、第一组合式限位模块和第二组合式限位模块；

复合动静加载模块，包括对应安装在所述试验主体框架的顶部及四周的多个动静式气液复合缸，每一动静式气液复合缸能够根据模拟的不同动力灾害以对试验对象进行加载和快速卸载；

高精度监测模块，用于实时监测试验过程数据及试验对象内部损伤发育情况，包括动态力学参数传感单元、图像采集单元、扫描成像单元；

智能加载控制模块，包括中心控制台、液压泵站和气压泵站，所述中心控制台与所述液压泵站、所述气压泵站及所述高精度监测模块相连，所述液压泵站和所述气压泵站经对应的回路与所述多个动静式气液复合缸相连，所述中心控制台配置成根据外部指令转换为内部控制指令，控制所述液压泵站和所述气压泵站对所述复合动静加载模块进行调控以控制加载方式，所述中心控制台还用于设置所述高精度监测模块的参数；以及

数据存储模块，与所述智能加载控制模块、所述高精度监测模块及智能终端连接，用于对接收到试验过程中的数据进行存储与处理，并且允许智能终端对数据进行读取和操作。

2.根据权利要求1所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，每一动静式气液复合缸配置有静载加载、扰动加载、冲击加载及卸载模式，其中，所述静载加载模式用于模拟深部岩体所处的高地应力环境，以对所述试验对象提供持续稳定的压力，所述扰动加载模式和所述冲击加载模式用于模拟深部岩体所受到动力灾害，以在所述静载加载模式下同时提供不同频率组合的强、弱扰动冲击。

3.根据权利要求2所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述静载加载模式和所述扰动加载模式均通过液压实现，所述冲击加载模式通过气压实现。

4.根据权利要求3所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，每一动静式气液复合缸包括：

第一至第三腔体，每一腔体均为两端开口中间中空的回转体，第一腔体的内壁处设有台阶，以将第一腔体的内腔分为相互连通的左腔室和右腔室，第二腔体安装在所述右腔室中，所述第二腔体与所述右腔室的结合面处留有间隙，以连通所述左腔室和所述右腔室，所述第三腔体安装在所述第一腔体的末端处；

前盖及后盖，前盖安装在所述第一腔体中未安装所述第二腔体的开口端处，后盖安装在所述第三腔体中未与所述第一腔体连接的开口端处；

活塞杆，安装在所述第一腔体的左腔室中，且活塞杆的一端由所述前盖伸入，活塞杆的另一端由所述第二腔体的一端伸入其内部，活塞杆将所述左腔室分隔为第一液压油腔和第二液压油腔，所述第一液压油腔处设有第一油压口，所述第二液压油腔处设有第二油压口，

稳压活塞，套在所述第二腔体的外壁处，并将所述第一腔体的右腔室分为第三液压油腔和第一气压腔，所述第三液压油腔与所述第二液压油腔连通；以及

冲击杆，安装在所述第三腔体且一端伸入所述第二腔体，以将所述第三腔体内部分隔为第二气压腔和第三气压腔；

其中，所述第三腔体中设有第一气压口和第二气压口，第一气压口连通所述第一气压腔，第二气压口连通所述第二气压腔，所述后盖中设有第三气压口，第三气压口连通所述第三气压腔。

5.根据权利要求1所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述扫描成像单元垂直于所述组合式限位装置，用于实时监测试验过程中试验对象内部损伤发育情况并输出三维模型，所述动态力学参数传感单元包括高精度力-位移传感器、微震监测元件及应变监测元件，所述图像采集单元包括高速摄像机、红外温度监测仪及DIC测量分析仪。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述第一组合式限位模块包括：

多组传力杆和加载压头，每组传力杆和加载压头可拆卸连接，每组传力杆和加载压头对应一个动静式气液复合缸，对应的传力杆与对应的动静式气液复合缸连接，对应的加载压头挤压所述试验对象的对应表面；

一个锁扣式底座，安装在所述可调节式底座处，且位于所述试验对象的底部处；

其中，每个动静式气液复合缸通过所述智能加载控制模块单独控制，以实现对所述试验对象的三向五面不均压加载，或者任意四周加载面的突然卸载。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述第二组合式限位模块包括：

高压密封舱，用于放置所述试验对象，通过液压回路与所述液压泵站相连接，且通过所述智能加载控制模块控制，用于对其内的所述试验对象施加相等的围压；

限位底座，固定连接在所述高压密封舱的底部，用于安装在所述可调节式底座处，和

竖向加载杆，连接在所述高压密封舱的顶部，用于与顶部的动静式气液复合缸连接，以对所述试验对象进行竖向复合动静加载。

8.根据权利要求7所述的深部岩体动力性能试验系统，其特征在于，所述高压密封舱处设有：

照明元件，用于照明；

温度调节器，用于对所述高压密封舱内的液压流体加热，以模拟高温地质环境；和

观测窗口，便于所述图像采集单元采集所述试验对象的图像。

9.一种应用权利要求6所述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，其特征在于，包括下述步骤：

将所述第一组合式限位模块的锁扣式底座安装于所述可调节式底座上并旋转锁紧后，并安置所述试验对象于所述可调节式底座的中央标准线以内；

将每组加载压头与传力杆连接后安装于对应的动静式气液复合缸处，并使所述加载压头正对所述试验对象表面；

在所述试验对象表面涂抹耦合涂料并安装所述监测元件于加载压头中或者所述试验对象表面，控制动静式气液复合缸推动对应的传力杆使对应的加载压头与所述试验对象的外表面紧密贴合；

将所述图像采集单元安装在所述试验对象周围，确保试所述验对象在监测设置范围以内，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；

开始进行试验并加载应力达到地应力状态，卸载若干加载面使加载压头脱落，模拟现场工程开挖状态；

保持当前加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；

当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块供试验人员调用。

10.一种应用权利要求7所述的深部岩体动力性能试验系统的深部岩体动力性能试验方法，其特征在于，包括下述步骤：

将所述试验对象的外部包裹耐高温隔水材料并安置于所述第二组合式限位模块的高压密封舱内；

将所述限位底座安装于所述可调节式底座上并锁紧，使所述竖向加载杆连接于顶部的动静式气液复合缸；

将液压回路接至所述高压密封舱对应位置，安装所述图像采集单元正对所述高压密封舱的观测窗口，测试所述动态力学参数传感单元和所述图像采集单元接收传输功能是否正常；

将所述竖向加载杆贴紧所述试验对象的顶部加载面，启动所述液压泵站注满所述高压密封舱；

开始进行试验并加载应力达到预设状态，保持加载状态一段时间后，继续进行加载，同时启动所述高精度监测模块开始数据采集；或者，加载应力达到预设状态，然后启动温度调节器并保持加载状态一段时间后，继续进行加载；

静载加载模式、扰动加载模式和冲击加载模式按照设定的应力路径对所述试验对象进行持续加载；

当所述试验对象出现明显的破坏特征即试验结束，同时所述高精度监测模块停止采集并将所有监测数据上传到所述数据存储模块以供试验人员取用。

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