一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法

1.本发明涉及岩石岩爆测试领域，尤其涉及一种用于模拟单面临空状态下岩石岩爆现象的试验夹具和测试方法。


背景技术：

2.随着岩土工程的开挖和矿产资源的开采逐渐转向地球深部，地下动力灾害事故(如冒顶、岩爆等)频发，给地下工程建设带来了巨大的挑战。其中，岩爆是岩体中积聚的弹性变形能超过岩体的临界弹性变形能，多余的能量突然释放导致岩块从母岩中快速变形、高速弹射的一种剧烈的岩石动力破坏现象，目前已经成为全球范围内地下深部工程中亟待解决的问题。
3.国内外现有开展岩石材料岩爆特征、机理及预测的研究，大多是基于传统真三轴实验装置和六面加载、一面突然卸载的应力路径。一方面，传统真三轴试验夹具存在不能完全覆盖岩石试件表面的弊端；另一方面，六面加载、一面突然卸载的应力路径中发生岩爆时的加载、卸载次数因各岩石试件的各向异性而具有随机性。上述真三轴试验夹具和应力路径只适用于即时性岩爆的研究。然而实际工程现象表明，大部分岩爆的发生于地下矿井开挖一段时间后(称之为时滞性岩爆)。而上述研究无法明确时滞性岩爆的特征、发生机理等。目前，由于测试方法和技术的限制，时滞性岩爆的研究非常有限。近来报道的动力扰动型岩爆真三轴试验夹具虽然弥补了过往时滞性岩爆研究的空白，但是利用该夹具进行岩爆试验时，存在以下弊端：首先，该夹具五个加载方向的压板是互相分离的，在加载时需要手动将其安装，每个方向压板位置偏移都会增加试验的误差，且每次试验都需要拆卸试验夹具；其次，使用普通螺钉和u形头螺连接组装夹具时，旋转各个螺钉的力的偏差都将导致各压板未能完全与岩石试件接触；最后，安装好的侧压板需要刚性推头施加压力使其固定，不适用于单轴、双轴压缩机，不具有简易性和普适性。因此，设计一种可以在单轴、双轴压缩试验机使用的用于模拟时滞性岩爆现象的普适和简易的夹具是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法，该夹具可以在单轴、双轴和三轴压缩试验中使用，减少每次试验拆卸夹具的时间，精准控制各方向压板与岩石试件的完全接触，既能实现时滞性岩爆灾害机理、预防的研究，又能提高试验准确率，节省试验成本。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，包括岩石试件、底座、直角u形槽、挡板、扭力测力计和垫块，所述底座为顶部和前端开口的空心长方体结构，所述底座的底板前端设有刻度，所述底座的底板左侧、底板右侧和底板后侧均设有沉头螺丝孔a，所述直角u形槽的底部设有与所述沉头螺丝孔a相对应的螺丝孔，所述直角u形槽通过沉头螺丝可拆卸的与所述底座连接；岩石试件放置于所述直角u形槽内，所述垫块放置于所述岩石试件的顶
部，所述挡板为长方体结构并放置于所述岩石试件的一侧；所述直角u形槽的一侧设有沉头螺丝孔b，所述挡板上设有和所述沉头螺丝孔b相对应的非贯通螺丝孔；通过外六角螺丝穿过沉头螺丝孔b和挡板上的非贯通螺丝孔固定岩石试件；所述挡板和直角u形槽之间的外六角螺丝上设置有活动螺母，所述扭力测力计用于对每个沉头螺丝孔b内的外六角螺丝测力确保固定岩石试件的每个外六角螺丝的预紧力一致。
7.进一步的，所述刻度的精度为0.1mm。
8.进一步的，所述直角u形槽的开口方向与底座前端开口方向相同，直角u形槽内部宽度与底座左右两侧宽度相同，直角u形槽长度与底座前端开口长度相同。
9.进一步的，垫块底面积与岩石试件底面积相同。
10.进一步的，所述扭力测力计由手柄、示数表和六角螺套；所述六角螺套与所述外六角螺丝的规格匹配，扭力测力计能够双向测力，在对外六角螺丝测力时确保示数表逆时针、顺时针指数相同。
11.进一步的，挡板高度、厚度分别与直角u形槽的高度和内部宽度一致。
12.进一步的，外六角螺丝的自带螺母厚度小于沉头螺丝孔b的沉头距离。沉头螺丝孔b和沉头螺丝孔a均为贯通的螺丝孔。
13.本发明还提供一种用于岩石单面临空状态下岩爆的测试方法，包括以下步骤：
14.(1)将岩石试件放置于直角u形槽中，并通过挡板和外六角螺丝固定岩石试件；
15.(2)将扭力测力计的六角螺套旋入外六角螺丝的螺母中，用于测量外六角螺丝的预应力，确保每个外六角螺丝预应力测量值相同，即保证岩石试件表面受力均匀；
16.(3)将高速摄影仪a对准岩石试件的临空面，将高速摄影仪b对准垂直于岩石试件的临空面的一侧，调整高速摄影仪a和高速摄影仪b的分辨率和帧数，并将高速摄影仪设置成结束触发模式；
17.(4)将伺服液压刚性试验机的输出轴施加在垫块顶部，启动伺服液压刚性试验机，按照设定加载速率施加轴压，通过轴向压力测试系统得到岩石试件的力学参数；
18.(5)伺服液压刚性试验机报警同时触发高速摄影仪a和高速摄影仪b，记录岩石试件岩爆现象，并计算岩石试件岩爆时喷射速度，完成测试。
19.10.根据权利要求8所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的测试方法，其特征在于，按以下公式计算岩石试件极限承载强度σ：
[0020][0021]
式中：f、a分别为轴向压力测试系统记录到的峰值荷载和岩石试件的顶部横截面积；f、a的单位分别为kn和mm2；
[0022]
根据以下公式计算岩石试件岩爆时喷射速度ve：
[0023][0024]
式中d是弹射距离，m；g为重力加速度，m/s2；h为弹射碎片的高度，m；θ为弹射角度。
[0025]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0026]
首先，底座的底板前端设有刻度，挡板与外六角螺丝的位置可根据岩石试件规格和设置刻度精准调节；其次，利用设计扭力测力计测量外六角螺丝预应力，保证岩石试件与
挡板完全均匀接触且岩石试件基本不承受侧向力；此外，试验结束后不需要每次都拆卸夹具，操作简易，提高了试验效率；最后，直角u形槽右侧设计沉头螺丝孔，使得该夹具既可以配合单轴压缩试验机使用又可配合双轴、三轴压缩试验机开展试验，提高了该夹具的普适性。
附图说明
[0027]
图1为安装有岩石试件时的试验夹具立体示意图；
[0028]
图2为未安装岩石试件时的试验夹具立体示意图
[0029]
图3为底座的立体结构示意图；
[0030]
图4a为直角u形槽的结构示意图；
[0031]
图4b为直角u形槽的底面平面示意图；
[0032]
图5为垫块的结构示意图；
[0033]
图6为扭力测力计的结构示意图；
[0034]
图7a为岩石试件和垫块平面示意图；
[0035]
图7b为岩石试件和垫块立体示意图；
[0036]
图8a为利用该发明试验夹具模拟单轴加载单面临空煤岩岩(煤)爆的试验示意图；
[0037]
图8b为利用该发明试验夹具模拟单轴加载单面临空岩爆的试验破坏图；
[0038]
图8c为利用该发明试验夹具模拟单轴加载单面临空煤爆的试验破坏图。
[0039]
附图标记：1-底座；2-沉头螺丝孔b；3-刻度；4-直角u形槽；5-挡板；6-外六角螺丝；7-活动螺母；8-示数表；9-连接螺丝；10-手柄；11-归零按钮；12-开关；13-沉头螺丝孔a；14-螺丝；15-螺丝孔；16-非贯通螺丝孔；17-六角螺套；18-岩石试件；19-垫块；20-高速摄影仪a；21-高速摄影仪b；22-力学加载和采集系统。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
如图1至图7b所示，本发明提供一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，包括岩石试件18、底座1、直角u形槽4、挡板5、扭力测力计和垫块19。
[0042]
底座1与试验机刚性推头的材料相同，底座为顶部和前端开口的空心长方体结构，底座的底板左侧、底板右侧和底板后侧共设有30个沉头螺丝孔a13，底座的底板前端设有刻度3，测量精度为0.1mm，底座的左侧、右侧和后端挡板高度相同。
[0043]
直角u形槽4宽度与底座1左右两侧的内部宽度相同，直角u形槽4长度与底座前端开口长度相同。直角u形槽4底部设有与沉头螺丝孔a13相同规格的30个螺丝孔15，直角u形槽4右侧设有6个相同规格的沉头螺丝孔b2；直角u形槽4通过沉头螺丝a13、螺丝孔15和螺丝14可拆卸的与底座1连接。
[0044]
长方体岩石试件18的宽度直角u形槽4内部宽度规格相同；挡板5主体为长方体，挡板5高度、厚度与直角u形槽4高度、内部宽度一致，该挡板5上设有与沉头螺丝孔b2相对应的6个非贯通螺丝孔16，用于固定岩石试件18；
[0045]
垫块19放置于岩石试件18的顶部，垫块19主体为长方体，垫块底面积与岩石试件
底面积相同，用于传导轴向力至岩石试件；
[0046]
选取相同规格的30根螺丝14，螺丝14规格与沉头螺丝孔a13和螺丝孔15的规格匹配；将30根螺丝14旋入沉头螺丝孔a13和螺丝孔15中，可实现底座和直角u形槽的固定；
[0047]
选取6根尺寸相同的外六角螺丝6，外六角螺丝6的规格与非贯通螺丝孔16和沉头螺丝孔b2的规格匹配；通过外六角螺丝6穿过沉头螺丝孔b2和挡板5上的非贯通螺丝孔16固定岩石试件18；外六角螺丝上的螺母的厚度略小于直角u形槽右侧沉头螺丝孔的沉头距离，这将保证安装外六角螺丝后的直角u形槽能够顺利放置于底座中；挡板5和直角u形槽4之间的外六角螺丝6上设置有用于紧固挡板5的活动螺母7，本实施例中每个外六角螺丝6设有2个活动螺母7。
[0048]
具体的，将活动螺母7沿着6根外六角螺丝旋入至靠近直角u形槽右端内侧面处，将6根外六角螺丝继续旋入挡板非贯通螺丝孔16中，根据岩石试件尺寸以及刻度调节挡板的位置，然后进一步调节活动螺母的位置使活动螺母与直角u形槽右端内侧面完全接触，用于精准固定垫块的位置，保证旋入6根外六角螺丝时不会施加过度侧向力至岩石试件。
[0049]
扭力测力计包括手柄10、示数表8和六角螺套17；手柄10上设有归零按钮11、开关12，手柄10和示数表8之间通过连接螺丝9相连；六角螺套与外六角螺丝规格相同，六角螺套可双向测力，示数表逆时针、顺时针指数相同。扭力测力计用于对每个沉头螺丝孔b内的外六角螺丝测力确保固定岩石试件的每个外六角螺丝的预紧力一致。本实施例中选用的扭力测力计型号为tbl-m10。
[0050]
具体的，本实施例基于伺服液压刚性试验机tjw-1000，采用本发明试验夹具和测试方法测试岩石试件岩爆特征，包括以下步骤：
[0051]
s101、如图1所示，将本发明试验夹具进行组装，将六根外六角螺丝旋入如图4a所示直角u形槽4右侧面螺丝孔中，旋至外六角螺丝头部低于直角u形槽4右侧面螺丝孔沉头距离，保证上述组装零件可以放置于如图3所示底座中；
[0052]
s102、将组装的直角u形槽、外六角螺丝和活动螺母零件放置于如图3所示底座中，保证直角u形槽底部螺丝孔15与底座底部沉头螺丝孔a13同轴心；
[0053]
s103、将三十根螺丝14旋入组装好的直角u形槽4底部螺丝孔15与底座1底部的沉头螺丝孔a13中，固定好底座1和直角u形槽4；
[0054]
s104、将十二个活动螺母7旋入六根外六角螺丝6中，旋至靠近直角u形槽4设有沉头螺丝孔b2的一侧；
[0055]
s105、将如图5所示挡板5侧面非贯通螺丝孔16朝向直角u形槽4设有沉头螺丝孔的一侧，并与外六角螺丝6同轴心，且保证外六角螺丝6与挡板5侧面非贯通螺丝孔16顶部接触；
[0056]
s106、将如图7b所示岩石试件18放置于直角u形槽4未设有螺丝孔一侧和挡板5之间，保证岩石试件18与直角u形槽4未设有螺丝孔一侧侧面完全接触；
[0057]
s107、根据安装好的岩石试件18尺寸和如图3所示底座1前端刻度3，适当调整挡板5的位置，对应进一步调节十二个活动螺母7的位置使其与直角u形槽4设有螺丝孔2的侧面完全接触，此时可实现精准固定挡板5的位置；
[0058]
s108、将如图6所示扭力测力计六角螺套17对准外六角螺丝6中的一根旋入，测量其所承受的预应力，待示数表数值稳定后记下数值(保证其小于0.1mpa)并测量其余五根外
六角螺丝6的预应力值，保证六根外六角螺丝6预应力值一样，即保证了岩石试件表面受力均匀；
[0059]
s109、完成上述步骤后，取下扭力测力计，并将如图7b所示垫块19放置于岩石试件18上部。将高速摄影仪a20对准岩石试件18的临空面一侧，将高速摄影仪b21对准岩石试件18临空面侧面垂直方向，调整高速摄影仪a和b至合适的分辨率和帧数，并将高速摄影仪a和b设置成结束触发模式，见图8a。
[0060]
s110、此时开启伺服液压刚性试验机按照设定加载速率施加轴压，当岩石试件18破坏时，可按以下公式计算岩石试件极限承载强度σ：
[0061][0062]
式中：f、a分别为伺服液压刚性试验机记录到的峰值荷载(kn)和岩石试件的顶部横截面积(mm2)。
[0063][0064]
s111、根据两台高速摄影仪，记录岩石试件岩爆现象，并根据以下公式计算岩石试件岩爆时喷射速度ve：
[0065][0066]
式中d是弹射距离(m)；g为重力加速度(m/s2)；h为弹射碎片的高度(m)；θ为弹射角(
°
)。
[0067]
最后，为验证该发生试验夹具的可行性和合理性，利用该发明试验夹具和测试方法展开单轴加载单面临空岩爆和煤爆试验。如图8b至8c所示为利用高速摄影系统记录到的煤岩试件岩(煤)爆的试验破坏过程，均可明显看到煤岩颗粒弹射，煤岩片剥落以及岩(煤)爆等动力冲击现象。图8a中伺服液压刚性试验机自带的力学加载和采集系统22用于控制和采集数据。
[0068]
以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。