专利名称：一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光测力学实验装置，尤其涉及一种对深部岩石爆破致裂进行物理模拟实验的光测力学实验装置。
背景技术：
岩体是长期地质年代的产物，在天然状态下存在自重应力和构造应力等初始应力，所以岩体受到的任何动载作用都是在一定静态应力场存在之上的作用。岩体在动态载荷作用下的动态断裂过程与静态应力场具有相关性。比如在深部矿井中爆破施工掘进巷道，高地压产生的初始静态应力场就会对爆炸载荷下岩石的断裂现象和爆生裂纹的传播规律产生巨大影响，其初始静态应力场效应将不能忽略。目前，在物理爆破模型试验中，模型的边界条件大多是自由边界条件，这对于研究高围压下岩体的爆破理论具有一定的局限性，尤其是在采用爆炸加载装置和光测力学实验方法(如动光弹、动焦散等)进行爆破断裂现象和机理的研究中，采用二维平面模型试件， 试件四周无约束，无法真实再现深部岩体即高地应力下岩石的爆炸致裂规律和机理，对爆炸动态应力场中裂纹的扩展规律不能进行科学、全面的分析和研究。为达到真实模拟地质结构，将初始静态应力场效应充分考虑到模拟试验条件中， 准确再现岩体在动态载荷下的致裂过程，特发明了本实验装置。
发明内容
鉴于上述现有实验装置的不足，本发明的目的在于针对深部岩石的爆炸致裂问题，提供一种与光测力学相结合的可模拟深部地应力和爆炸载荷的实验装置。一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，包括一个可沿着水平和竖直方向进行试件应力加载的静态加载系统，以及用于产生动态载荷的爆炸加载装置；所述静态加载系统包括一个竖直放置的底板，在底板一侧沿上、下、左、右四个方向分布的四块推板，以及分别为上、左、右三个方向推板提供压力的供压系统；所述底板中部开有通孔， 上、左、右三个方向的推板底部活动连接在底板上，下部方向的推板固定在底板上，试件固定在四块推板之间；所述爆炸加载装置的加载端通过底板上的通孔从两侧对应加载在试件中部的炮孔上，爆炸加载装置的另一端固定在下部方向的推板上。所述供压系统包括三个气缸、压力表、阀门和空气压缩机，三个气缸并联连接，三个气缸的缸杆对应连接在上、左、右三个方向的推板上；压力表和阀门串联在空气压缩机与并联气缸之间的连接管路上。所述三个气缸的并联支路上还分别连接有分控阀门和分控压力表。所述推板与试件接触的表面设有凹槽，试件边部卡在凹槽中。所述推板与试件接触的表面外侧设有卡棱，卡棱与试件外表面相接触，试件内表面紧贴在底板上。所述上、左、右方向的推板体上沿着移动方向还设有通槽，通槽中插有螺栓，螺栓连接在底板和推板之间。本发明所述的用于深部岩石爆炸致裂的光测力学实验装置的优点在于⑴采用该实验装置后，可以改变平面模型试件的边界条件，对试件施加围压，实现了深部岩体地应力场的模拟；(2)对试件四周围压加载过程可进行调控，可以改变水平和纵向各个方向的压力值，适用于多种地应力场的模拟；(3)采用卡棱或凹槽对试件进行卡持，保证了卡持的可靠性和灵活性，同时，还可使爆炸载荷在试件平面内产生动态应力场，实现深部岩石爆炸致裂过程的真实再现。(4)该装置特别适用于光测力学实验中的动焦散和动光弹等实验， 为研究深部岩体爆炸致裂的规律和机理提供了可靠的实验设备；(5)整个实验装置结构简单、操作方便，易于实现和维护。
图I为本发明的结构示意图；图2为图I的A-A向剖视图。
具体实施例方式本发明的中心是以实验的方式对试件施加围压，模拟深部岩石中的地应力，在试件模型中产生初始静态应力场，然后通过爆炸实验，并采用光测力学方法对爆炸致裂过程进行观测，以达到研究深部即高地压下岩体的爆破断裂现象和机理，为地质挖掘和爆破过程提供科学依据。下面结合附图I、图2对本发明作进一步的详细描述一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，主要包括两部分一部分为一个可沿着水平和竖直方向进行试件应力加载的静态加载系统；另一部分为用于产生动态载荷的爆炸加载装置10。静态加载系统用于模拟深部岩石的地应力现象，形成试件的初始静态应力场。爆炸加载装置10用于试件11爆炸实验的加载和控制，使试件11产生爆炸致裂过程，以实现对致裂过程的观测和研究。静态加载系统包括一个竖直放置的四方形底板7，在底板7 —侧沿上、下、左、右四个方向分布有四块推板9，以及分别为上、左、右三个方向推板提供压力的供压系统。上、左、 右三个方向的推板底部活动连接在底板7上，并可沿底板7移动。下部方向的推板固定在底板7上，试件11固定在四块推板9之间。其中，为便于爆炸加载装置10的安装和光测力学实验装置的观测需要，在底板7 中部还开有通孔8，通孔8的大小可依据试件尺寸和爆炸加载装置10及光测力学实验装置的大小而定。由于加载过程中，上、左、右三个方向的推板需要沿底板7移动，故在上、左、右三个方向的推板体上沿着移动方向还设有通槽12，通槽12中插有螺栓，螺栓一端固定在底板7上，另一端穿过通槽12后与推板9连接，通槽12保证了推板9移动的同时还会受到螺杆的限制作用，防止移动方向发生偏转，而移动到位后，螺栓还可实现推板9与底板7间的固定连接。供压系统包括三个气缸6、三个分控阀门4、三个分控压力表5，以及连接在空气压缩机I输出主管路上的总压力表3和总阀门2。三个气缸6并联连接，分控阀门4和分控压力表5串联成三组后分别对应连接在三个气缸6的并联支路上，直接显示和控制支路上的三个气缸6工作，调整压力的大小。三个气缸6的缸杆对应连接在上、左、右三个方向的推板背部，带动此三个方向推板在底板7上移动，从而在试件11的平面内形成初始静态应力场，实现了试件11在水平和竖向方向上地应力的模拟。爆炸加载装置10的加载端通过底板7上的通孔8从两侧对应加载在试件11中部的炮孔上，爆炸加载装置10的另一端固定在下部方向的推板上。为进一步提高推板9加载试件11的可靠性和在爆炸过程中的稳定性，在推板9与试件11接触的表面外侧设有卡棱13，卡棱13与试件11外表面相接触并将试件11外部卡持，而试件11内表面则紧贴在底板7表面上。底板7表面与试件11表面充分接触，增加了试件11装卡的稳定性，同时，卡棱13还可使试件11的爆炸致裂过程在平面内加载。当然， 推板9上的卡棱13还可转变成推板9与试件11接触表面的凹槽设计，试件11边部直接卡在推板9侧面的凹槽中，通过凹槽的两侧支撑面使试件11卡紧，凹槽的深度可根据需要进行设定。实验中，首先选取试件11，试件11尺寸为300mm*300mm*5mm，在试件11中心位置开设炮孔，炮孔直径为6mm，并装填合适量的炸药。然后，松开上、左、右方向推板上的螺栓， 推动推板向气缸6—侧移动，将试件11置于四个方向的推板9之间，并且试件11背面与底板7表面相接触。接着，打开三个分控阀门4及总阀门2，开启空气压缩机1，不断将空气抽入空气储存罐内，气压逐渐上升，缸杆推动上、左、右三个方向的推板移动，结合固定不动的下方向推板，四个方向的推板9利用卡棱13将试件11卡持，使试件11的外围产生均布围压。随时注意总压力表3和分控压力表5上的读数，压力区间保持在0-0. 8MPa。当读数达到需要值时，依次关闭三个分控阀门4和总阀门2，并同时拧紧推板通槽12中的螺栓，使推板9与底板7间保持固定连接，保证推板9对试件11施加的均布力为一恒定值。由于试件 11边部卡在推板9的卡棱13内，保证了爆炸动态加载在平面内进行。再接着，调试爆炸加载装置10，使爆炸加载装置10的加载端从两侧对应加载在试件11中部的炮孔上，保证试件11中炮孔堵塞密实。而光测力学实验装置则通过通孔8对准试件11，光测力学实验装置如透射式动光弹或动焦散线等实验装置。最后，起爆炸药，对试件11的爆炸致裂过程进行观测和记录，实验完成后，卸载气缸6上的压力，松开通槽12中的螺栓，取下试件11即可。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，包括一个可沿着水平和竖直方向进行试件应力加载的静态加载系统，以及用于产生动态载荷的爆炸加载装置；所述静态加载系统包括一个竖直放置的底板，在底板一侧沿上、下、左、右四个方向分布的四块推板，以及分别为上、左、右三个方向推板提供压力的供压系统；所述底板中部开有通孔，上、左、右三个方向的推板底部活动连接在底板上，下部方向的推板固定在底板上， 试件固定在四块推板之间；所述爆炸加载装置的加载端通过底板上的通孔从两侧对应加载在试件中部的炮孔上，爆炸加载装置的另一端固定在下部方向的推板上。
2.如权利要求I所述的一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，所述供压系统包括三个气缸、压力表、阀门和空气压缩机，所述三个气缸并联连接，三个气缸的缸杆对应连接在上、左、右三个方向的推板上；所述压力表和阀门串联在空气压缩机与并联气缸之间的连接管路上。
3.如权利要求2所述的一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，所述三个气缸的并联支路上还分别连接有分控阀门和分控压力表。
4.如权利要求I所述的一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，所述推板与试件接触的表面设有凹槽，试件边部卡在凹槽中。
5.如权利要求I所述的一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，所述推板与试件接触的表面外侧设有卡棱，卡棱与试件外表面相接触，试件内表面紧贴在底板上。
6.如权利要求I所述的一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，其特征在于，所述上、左、右方向的推板体上沿着移动方向还设有通槽，通槽中插有螺栓，螺栓连接在底板和推板之间。
全文摘要
本发明公开了一种用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置，包括一个可沿着水平和竖直方向进行试件应力加载的静态加载系统，以及用于产生动态载荷的爆炸加载装置。静态加载系统包括一个竖直放置的底板，在底板一侧沿上、下、左、右四个方向分布的四块推板，以及分别为上、左、右三个方向推板提供压力的供压系统。推板在移动过程中将试件卡紧，爆炸加载装置对试件施加动态载荷，真实模拟了深部岩体中初始静态应力场和爆炸过程产生的动态应力场，结合光测力学实验方法，实现了对深部高地应力下岩体的爆炸致裂、裂纹扩展等现象的观测，为科学、准确的研究提供了一种简单、方便的实用装置。
文档编号G01N33/24GK102539650SQ201110366318
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者杨仁树, 杨立云, 许 鹏, 郭东明 申请人:中国矿业大学(北京)