專利名稱:一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種光測力學實驗裝置,尤其涉及一種對深部巖石爆破致裂進行物理模擬實驗的光測力學實驗裝置。
背景技術:
巖體是長期地質年代的產物,在天然狀態下存在自重應力和構造應力等初始應力,所以巖體受到的任何動載作用都是在一定靜態應力場存在之上的作用。巖體在動態載荷作用下的動態斷裂過程與靜態應力場具有相關性。比如在深部礦井中爆破施工掘進巷道,高地壓產生的初始靜態應力場就會對爆炸載荷下巖石的斷裂現象和爆生裂紋的傳播規律產生巨大影響,其初始靜態應力場效應將不能忽略。目前,在物理爆破模型試驗中,模型的邊界條件大多是自由邊界條件,這對于研究高圍壓下巖體的爆破理論具有一定的局限性,尤其是在采用爆炸加載裝置和光測力學實驗方法(如動光彈、動焦散等)進行爆破斷裂現象和機理的研究中,采用二維平面模型試件, 試件四周無約束,無法真實再現深部巖體即高地應力下巖石的爆炸致裂規律和機理,對爆炸動態應力場中裂紋的擴展規律不能進行科學、全面的分析和研究。為達到真實模擬地質結構,將初始靜態應力場效應充分考慮到模擬試驗條件中, 準確再現巖體在動態載荷下的致裂過程,特發明了本實驗裝置。
發明內容
鑒于上述現有實驗裝置的不足,本發明的目的在于針對深部巖石的爆炸致裂問題,提供一種與光測力學相結合的可模擬深部地應力和爆炸載荷的實驗裝置。一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,包括一個可沿著水平和豎直方向進行試件應力加載的靜態加載系統,以及用于產生動態載荷的爆炸加載裝置;所述靜態加載系統包括一個豎直放置的底板,在底板一側沿上、下、左、右四個方向分布的四塊推板,以及分別為上、左、右三個方向推板提供壓力的供壓系統;所述底板中部開有通孔, 上、左、右三個方向的推板底部活動連接在底板上,下部方向的推板固定在底板上,試件固定在四塊推板之間;所述爆炸加載裝置的加載端通過底板上的通孔從兩側對應加載在試件中部的炮孔上,爆炸加載裝置的另一端固定在下部方向的推板上。所述供壓系統包括三個氣缸、壓力表、閥門和空氣壓縮機,三個氣缸并聯連接,三個氣缸的缸桿對應連接在上、左、右三個方向的推板上;壓力表和閥門串聯在空氣壓縮機與并聯氣缸之間的連接管路上。所述三個氣缸的并聯支路上還分別連接有分控閥門和分控壓力表。所述推板與試件接觸的表面設有凹槽,試件邊部卡在凹槽中。所述推板與試件接觸的表面外側設有卡棱,卡棱與試件外表面相接觸,試件內表面緊貼在底板上。所述上、左、右方向的推板體上沿著移動方向還設有通槽,通槽中插有螺栓,螺栓連接在底板和推板之間。本發明所述的用于深部巖石爆炸致裂的光測力學實驗裝置的優點在于⑴采用該實驗裝置后,可以改變平面模型試件的邊界條件,對試件施加圍壓,實現了深部巖體地應力場的模擬;(2)對試件四周圍壓加載過程可進行調控,可以改變水平和縱向各個方向的壓力值,適用于多種地應力場的模擬;(3)采用卡棱或凹槽對試件進行卡持,保證了卡持的可靠性和靈活性,同時,還可使爆炸載荷在試件平面內產生動態應力場,實現深部巖石爆炸致裂過程的真實再現。(4)該裝置特別適用于光測力學實驗中的動焦散和動光彈等實驗, 為研究深部巖體爆炸致裂的規律和機理提供了可靠的實驗設備;(5)整個實驗裝置結構簡單、操作方便,易于實現和維護。
圖I為本發明的結構示意圖;圖2為圖I的A-A向剖視圖。
具體實施例方式本發明的中心是以實驗的方式對試件施加圍壓,模擬深部巖石中的地應力,在試件模型中產生初始靜態應力場,然后通過爆炸實驗,并采用光測力學方法對爆炸致裂過程進行觀測,以達到研究深部即高地壓下巖體的爆破斷裂現象和機理,為地質挖掘和爆破過程提供科學依據。下面結合附圖I、圖2對本發明作進一步的詳細描述一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,主要包括兩部分一部分為一個可沿著水平和豎直方向進行試件應力加載的靜態加載系統;另一部分為用于產生動態載荷的爆炸加載裝置10。靜態加載系統用于模擬深部巖石的地應力現象,形成試件的初始靜態應力場。爆炸加載裝置10用于試件11爆炸實驗的加載和控制,使試件11產生爆炸致裂過程,以實現對致裂過程的觀測和研究。靜態加載系統包括一個豎直放置的四方形底板7,在底板7 —側沿上、下、左、右四個方向分布有四塊推板9,以及分別為上、左、右三個方向推板提供壓力的供壓系統。上、左、 右三個方向的推板底部活動連接在底板7上,并可沿底板7移動。下部方向的推板固定在底板7上,試件11固定在四塊推板9之間。其中,為便于爆炸加載裝置10的安裝和光測力學實驗裝置的觀測需要,在底板7 中部還開有通孔8,通孔8的大小可依據試件尺寸和爆炸加載裝置10及光測力學實驗裝置的大小而定。由于加載過程中,上、左、右三個方向的推板需要沿底板7移動,故在上、左、右三個方向的推板體上沿著移動方向還設有通槽12,通槽12中插有螺栓,螺栓一端固定在底板7上,另一端穿過通槽12后與推板9連接,通槽12保證了推板9移動的同時還會受到螺桿的限制作用,防止移動方向發生偏轉,而移動到位后,螺栓還可實現推板9與底板7間的固定連接。供壓系統包括三個氣缸6、三個分控閥門4、三個分控壓力表5,以及連接在空氣壓縮機I輸出主管路上的總壓力表3和總閥門2。三個氣缸6并聯連接,分控閥門4和分控壓力表5串聯成三組后分別對應連接在三個氣缸6的并聯支路上,直接顯示和控制支路上的三個氣缸6工作,調整壓力的大小。三個氣缸6的缸桿對應連接在上、左、右三個方向的推板背部,帶動此三個方向推板在底板7上移動,從而在試件11的平面內形成初始靜態應力場,實現了試件11在水平和豎向方向上地應力的模擬。爆炸加載裝置10的加載端通過底板7上的通孔8從兩側對應加載在試件11中部的炮孔上,爆炸加載裝置10的另一端固定在下部方向的推板上。為進一步提高推板9加載試件11的可靠性和在爆炸過程中的穩定性,在推板9與試件11接觸的表面外側設有卡棱13,卡棱13與試件11外表面相接觸并將試件11外部卡持,而試件11內表面則緊貼在底板7表面上。底板7表面與試件11表面充分接觸,增加了試件11裝卡的穩定性,同時,卡棱13還可使試件11的爆炸致裂過程在平面內加載。當然, 推板9上的卡棱13還可轉變成推板9與試件11接觸表面的凹槽設計,試件11邊部直接卡在推板9側面的凹槽中,通過凹槽的兩側支撐面使試件11卡緊,凹槽的深度可根據需要進行設定。實驗中,首先選取試件11,試件11尺寸為300mm*300mm*5mm,在試件11中心位置開設炮孔,炮孔直徑為6mm,并裝填合適量的炸藥。然后,松開上、左、右方向推板上的螺栓, 推動推板向氣缸6—側移動,將試件11置于四個方向的推板9之間,并且試件11背面與底板7表面相接觸。接著,打開三個分控閥門4及總閥門2,開啟空氣壓縮機1,不斷將空氣抽入空氣儲存罐內,氣壓逐漸上升,缸桿推動上、左、右三個方向的推板移動,結合固定不動的下方向推板,四個方向的推板9利用卡棱13將試件11卡持,使試件11的外圍產生均布圍壓。隨時注意總壓力表3和分控壓力表5上的讀數,壓力區間保持在0-0. 8MPa。當讀數達到需要值時,依次關閉三個分控閥門4和總閥門2,并同時擰緊推板通槽12中的螺栓,使推板9與底板7間保持固定連接,保證推板9對試件11施加的均布力為一恒定值。由于試件 11邊部卡在推板9的卡棱13內,保證了爆炸動態加載在平面內進行。再接著,調試爆炸加載裝置10,使爆炸加載裝置10的加載端從兩側對應加載在試件11中部的炮孔上,保證試件11中炮孔堵塞密實。而光測力學實驗裝置則通過通孔8對準試件11,光測力學實驗裝置如透射式動光彈或動焦散線等實驗裝置。最后,起爆炸藥,對試件11的爆炸致裂過程進行觀測和記錄,實驗完成后,卸載氣缸6上的壓力,松開通槽12中的螺栓,取下試件11即可。以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式
,但本發明的保護范圍并不局限于此, 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換, 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,包括一個可沿著水平和豎直方向進行試件應力加載的靜態加載系統,以及用于產生動態載荷的爆炸加載裝置;所述靜態加載系統包括一個豎直放置的底板,在底板一側沿上、下、左、右四個方向分布的四塊推板,以及分別為上、左、右三個方向推板提供壓力的供壓系統;所述底板中部開有通孔,上、左、右三個方向的推板底部活動連接在底板上,下部方向的推板固定在底板上, 試件固定在四塊推板之間;所述爆炸加載裝置的加載端通過底板上的通孔從兩側對應加載在試件中部的炮孔上,爆炸加載裝置的另一端固定在下部方向的推板上。
2.如權利要求I所述的一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,所述供壓系統包括三個氣缸、壓力表、閥門和空氣壓縮機,所述三個氣缸并聯連接,三個氣缸的缸桿對應連接在上、左、右三個方向的推板上;所述壓力表和閥門串聯在空氣壓縮機與并聯氣缸之間的連接管路上。
3.如權利要求2所述的一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,所述三個氣缸的并聯支路上還分別連接有分控閥門和分控壓力表。
4.如權利要求I所述的一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,所述推板與試件接觸的表面設有凹槽,試件邊部卡在凹槽中。
5.如權利要求I所述的一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,所述推板與試件接觸的表面外側設有卡棱,卡棱與試件外表面相接觸,試件內表面緊貼在底板上。
6.如權利要求I所述的一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,其特征在于,所述上、左、右方向的推板體上沿著移動方向還設有通槽,通槽中插有螺栓,螺栓連接在底板和推板之間。
全文摘要
本發明公開了一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學實驗裝置,包括一個可沿著水平和豎直方向進行試件應力加載的靜態加載系統,以及用于產生動態載荷的爆炸加載裝置。靜態加載系統包括一個豎直放置的底板,在底板一側沿上、下、左、右四個方向分布的四塊推板,以及分別為上、左、右三個方向推板提供壓力的供壓系統。推板在移動過程中將試件卡緊,爆炸加載裝置對試件施加動態載荷,真實模擬了深部巖體中初始靜態應力場和爆炸過程產生的動態應力場,結合光測力學實驗方法,實現了對深部高地應力下巖體的爆炸致裂、裂紋擴展等現象的觀測,為科學、準確的研究提供了一種簡單、方便的實用裝置。
文檔編號G01N33/24GK102539650SQ201110366318
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者楊仁樹, 楊立云, 許 鵬, 郭東明 申請人:中國礦業大學(北京)