專利名稱：一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學(xué)實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光測力學(xué)實驗裝置，尤其涉及一種對深部巖石爆破致裂進(jìn)行物理模擬實驗的光測力學(xué)實驗裝置。
背景技術(shù)：
巖體是長期地質(zhì)年代的產(chǎn)物，在天然狀態(tài)下存在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力等初始應(yīng)力，所以巖體受到的任何動載作用都是在一定靜態(tài)應(yīng)力場存在之上的作用。巖體在動態(tài)載荷作用下的動態(tài)斷裂過程與靜態(tài)應(yīng)力場具有相關(guān)性。比如在深部礦井中爆破施工掘進(jìn)巷道，高地壓產(chǎn)生的初始靜態(tài)應(yīng)力場就會對爆炸載荷下巖石的斷裂現(xiàn)象和爆生裂紋的傳播規(guī)律產(chǎn)生巨大影響，其初始靜態(tài)應(yīng)力場效應(yīng)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(xué)實驗方法(如動光彈、動焦散等)進(jìn)行爆破斷裂現(xiàn)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(xiàn)深部巖體即高地應(yīng)力下巖石的爆炸致裂規(guī)律和機理，對爆炸動態(tài)應(yīng)力場中裂紋的擴展規(guī)律不能進(jìn)行科學(xué)、全面的分析和研究。為達(dá)到真實模擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將初始靜態(tài)應(yīng)力場效應(yīng)充分考慮到模擬試驗條件中， 準(zhǔn)確再現(xiàn)巖體在動態(tài)載荷下的致裂過程，特發(fā)明了本實驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有實驗裝置的不足，本發(fā)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(xué)相結(jié)合的可模擬深部地應(yīng)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(xué)實驗裝置，包括一個可沿著水平和豎直方向進(jìn)行試件應(yīng)力加載的靜態(tài)加載系統(tǒng)，以及用于產(chǎn)生動態(tài)載荷的爆炸加載裝置；所述靜態(tài)加載系統(tǒng)包括一個豎直放置的底板，在底板一側(cè)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(tǒng)；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(cè)對應(yīng)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(tǒng)包括三個氣缸、壓力表、閥門和空氣壓縮機，三個氣缸并聯(lián)連接，三個氣缸的缸桿對應(yīng)連接在上、左、右三個方向的推板上；壓力表和閥門串聯(lián)在空氣壓縮機與并聯(lián)氣缸之間的連接管路上。所述三個氣缸的并聯(lián)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(shè)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(cè)設(shè)有卡棱，卡棱與試件外表面相接觸，試件內(nèi)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(shè)有通槽，通槽中插有螺栓，螺栓連接在底板和推板之間。本發(fā)明所述的用于深部巖石爆炸致裂的光測力學(xué)實驗裝置的優(yōu)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(xiàn)了深部巖體地應(yīng)力場的模擬；(2)對試件四周圍壓加載過程可進(jìn)行調(diào)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(yīng)力場的模擬；(3)采用卡棱或凹槽對試件進(jìn)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(nèi)產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力場，實現(xiàn)深部巖石爆炸致裂過程的真實再現(xiàn)。(4)該裝置特別適用于光測力學(xué)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(guī)律和機理提供了可靠的實驗設(shè)備；(5)整個實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，易于實現(xiàn)和維護(hù)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I的A-A向剖視圖。
具體實施例方式本發(fā)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(yīng)力，在試件模型中產(chǎn)生初始靜態(tài)應(yīng)力場，然后通過爆炸實驗，并采用光測力學(xué)方法對爆炸致裂過程進(jìn)行觀測，以達(dá)到研究深部即高地壓下巖體的爆破斷裂現(xiàn)象和機理，為地質(zhì)挖掘和爆破過程提供科學(xué)依據(jù)。下面結(jié)合附圖I、圖2對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學(xué)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(jìn)行試件應(yīng)力加載的靜態(tài)加載系統(tǒng)；另一部分為用于產(chǎn)生動態(tài)載荷的爆炸加載裝置10。靜態(tài)加載系統(tǒng)用于模擬深部巖石的地應(yīng)力現(xiàn)象，形成試件的初始靜態(tài)應(yīng)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(chǎn)生爆炸致裂過程，以實現(xiàn)對致裂過程的觀測和研究。靜態(tài)加載系統(tǒng)包括一個豎直放置的四方形底板7，在底板7 —側(cè)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(tǒng)。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(xué)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(jù)試件尺寸和爆炸加載裝置10及光測力學(xué)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(shè)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，而移動到位后，螺栓還可實現(xiàn)推板9與底板7間的固定連接。供壓系統(tǒng)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(lián)連接，分控閥門4和分控壓力表5串聯(lián)成三組后分別對應(yīng)連接在三個氣缸6的并聯(lián)支路上，直接顯示和控制支路上的三個氣缸6工作，調(diào)整壓力的大小。三個氣缸6的缸桿對應(yīng)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(nèi)形成初始靜態(tài)應(yīng)力場，實現(xiàn)了試件11在水平和豎向方向上地應(yīng)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(cè)對應(yīng)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(jìn)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(wěn)定性，在推板9與試件11接觸的表面外側(cè)設(shè)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(nèi)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(wěn)定性，同時，卡棱13還可使試件11的爆炸致裂過程在平面內(nèi)加載。當(dāng)然， 推板9上的卡棱13還可轉(zhuǎn)變成推板9與試件11接觸表面的凹槽設(shè)計，試件11邊部直接卡在推板9側(cè)面的凹槽中，通過凹槽的兩側(cè)支撐面使試件11卡緊，凹槽的深度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)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(shè)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(cè)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(nèi)，氣壓逐漸上升，缸桿推動上、左、右三個方向的推板移動，結(jié)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(chǎn)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(shù)，壓力區(qū)間保持在0-0. 8MPa。當(dāng)讀數(shù)達(dá)到需要值時，依次關(guān)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(nèi)，保證了爆炸動態(tài)加載在平面內(nèi)進(jìn)行。再接著，調(diào)試爆炸加載裝置10，使爆炸加載裝置10的加載端從兩側(cè)對應(yīng)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(xué)實驗裝置則通過通孔8對準(zhǔn)試件11，光測力學(xué)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(jìn)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(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學(xué)實驗裝置，其特征在于，包括一個可沿著水平和豎直方向進(jìn)行試件應(yīng)力加載的靜態(tài)加載系統(tǒng)，以及用于產(chǎn)生動態(tài)載荷的爆炸加載裝置；所述靜態(tài)加載系統(tǒng)包括一個豎直放置的底板，在底板一側(cè)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(tǒng)；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(cè)對應(yīng)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(quán)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(xué)實驗裝置，其特征在于，所述供壓系統(tǒng)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(lián)連接，三個氣缸的缸桿對應(yīng)連接在上、左、右三個方向的推板上；所述壓力表和閥門串聯(lián)在空氣壓縮機與并聯(lián)氣缸之間的連接管路上。
3.如權(quán)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(xué)實驗裝置，其特征在于，所述三個氣缸的并聯(lián)支路上還分別連接有分控閥門和分控壓力表。
4.如權(quán)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(xué)實驗裝置，其特征在于，所述推板與試件接觸的表面設(shè)有凹槽，試件邊部卡在凹槽中。
5.如權(quán)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(xué)實驗裝置，其特征在于，所述推板與試件接觸的表面外側(cè)設(shè)有卡棱，卡棱與試件外表面相接觸，試件內(nèi)表面緊貼在底板上。
6.如權(quán)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(xué)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(shè)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(fā)明公開了一種用于模擬深部巖石爆破致裂的光測力學(xué)實驗裝置，包括一個可沿著水平和豎直方向進(jìn)行試件應(yīng)力加載的靜態(tài)加載系統(tǒng)，以及用于產(chǎn)生動態(tài)載荷的爆炸加載裝置。靜態(tài)加載系統(tǒng)包括一個豎直放置的底板，在底板一側(cè)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(tǒng)。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(tài)載荷，真實模擬了深部巖體中初始靜態(tài)應(yīng)力場和爆炸過程產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力場，結(jié)合光測力學(xué)實驗方法，實現(xiàn)了對深部高地應(yīng)力下巖體的爆炸致裂、裂紋擴展等現(xiàn)象的觀測，為科學(xué)、準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者楊仁樹, 楊立云, 許 鵬, 郭東明 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)