一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法与流程

本发明属于岩石力学特性测试领域，具体涉及一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法。

背景技术：

在矿山开采过程中，断层活化诱发的边坡滑坡、顶板垮塌等灾害不仅影响日常的采矿活动，而且常常严重威胁到矿山人员及矿山机械的安全。诱发断层活化的因素很多，爆破应力波作为最常见的一种外界动态载荷对开采过程中断层的活化具有重要的影响。深部岩体中的断层处于高地应力环境，长时间处于流变状态，受到外部扰动后，容易产生剪切滑移，因此进行动态扰动后的剪切蠕变实验对于探索爆破应力波诱致的断层滑移具有重大意义。但现有剪切试验机只能做蠕变试验或冲击加载，尚未将剪切蠕变与动态扰动结合起来，难以满足实验室研究的需要。

技术实现要素：

本发明提供一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机及试验方法，通过蓄能器控制使岩石试样处于剪切蠕变状态，然后利用落锤进行法向的动态冲击，研究法向动态扰动产生的切向动载荷对岩石试样剪切蠕变状态的影响，进而研究动态扰动诱致的岩石剪切蠕变失稳机理。

本发明的技术方案如下：

一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括蓄能器、加载系统和落锤冲击机构，所述蓄能器为所述加载系统提供稳定压力，所述加载系统使岩石试样处于剪切蠕变状态，所述落锤冲击机构通过所述加载系统对岩石试样进行法向的动态冲击。

进一步地，所述的落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述加载系统包括箱体、水压缸一、顶块、剪切盒、垂直定位螺栓、外侧垂直定位螺母、内侧垂直定位螺母、导轨、滑块、移动垫块、水压缸二、剪切垫块、水平定位螺栓、内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，水压缸一设置在所述箱体的底面上，所述顶块安装在水压缸一的缸柱上，所述剪切盒包括上部和下部，所述剪切盒放置在所述顶块上，剪切盒上部与剪切盒下部之间用于放置岩石试样；垂直定位螺栓通过外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母安装在所述箱体的顶板上；所述箱体的相对的两个侧壁的内侧分别设有一对平行的竖向的t型槽，所述导轨的两端分别设有t型端头，一对所述导轨的t型端头分别安装在所述箱体的t型槽内；所述滑块与一对所述导轨滑动连接在一起，移动垫块与所述滑块连接在一起；水压缸二设置在所述箱体的侧壁上，水压缸二的缸柱用于顶在剪切盒上部的侧面；剪切垫块放置在所述顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；所述箱体的侧壁设有两条平行的竖向的通槽，一对水平定位螺栓通过内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母安装在所述通槽中。

进一步地，所述的落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述蓄能器设置在稳压箱内，所述蓄能器通过注水管一与水压缸一相连，注水管一上设有减压阀一；所述蓄能器通过注水管二与水压缸二相连，注水管二上设有减压阀二；所述蓄能器设有注水管三，注水管三上设有注水阀，水泵通过注水管三向所述蓄能器注水；减压阀一通过连接管一与背压阀一相连，背压阀一设有排水管一；减压阀二通过连接管二与背压阀二相连，背压阀二设有排水管二；所述稳压箱上设有水槽一，排水管一及排水管二的出口端设置在水槽一内。

进一步地，所述的落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述箱体旁设有水槽二，水压缸一设有排水管三，水压缸二设有排水管四，排水管三及排水管四的出口端设置在水槽二内。

进一步地，所述的落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中所述落锤冲击机构包括支架、摇轮、定滑轮、钢丝绳、电磁铁、电磁铁导板、落锤、落锤导板和冲击锤头，所述支架包括两根平行的导杆，所述导杆垂直设置在所述箱体的顶部，所述摇轮安装在所述箱体的侧壁上，所述定滑轮安装在所述支架的顶端；冲击锤头设置在垂直定位螺栓上端，落锤导板套装在两根所述导杆上，所述落锤安装在落锤导板上，所述落锤与冲击锤头位置对应；电磁铁导板套装在两根所述导杆上，所述电磁铁安装在电磁铁导板上；所述钢丝绳的一端与所述摇轮连接，所述钢丝绳的另一端与电磁铁导板连接在一起，所述钢丝绳绕过所述摇轮和所述定滑轮。

进一步地，所述的落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，其中还包括信息采集控制系统，所述信息采集控制系统包括电脑、应变仪、压力传感器一、压力传感器二、导线和电磁铁开关，压力传感器一安装在水压缸一的缸柱上，压力传感器二安装在水压缸二的缸柱上，压力传感器一及压力传感器二通过所述导线与所述应变仪相连，所述应变仪和电磁铁开关通过所述导线与所述电脑相连；所述电磁铁开关通过所述导线与所述电磁铁相连。

一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验方法，利用上述落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括如下步骤：

1)在减压阀一、减压阀二关闭的前提下，将水泵与注水管三连接，打开注水阀，高压水通过注水管三进入蓄能器，直到蓄能器上的压力表的示数达到15mp，关闭注水阀，将水泵与注水管三断开连接，移除水泵，蓄能工作完成；

2)将岩石试样放入剪切盒中，将剪切盒放到顶块的中心位置；首先垂直方向上调整水压缸一的缸柱的高度，使水压缸二的缸柱中心与剪切盒上部在同一高度；随后水平方向上使滑块沿导轨移动，使移动垫块位于剪切盒中央上方；其后导轨的t型端头沿箱体的t型槽移动，使移动垫块与剪切盒上部贴合；之后通过调节外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母，使得垂直定位螺栓顶紧滑块，使移动垫块与剪切盒上部紧密接触；

3)将剪切垫块放置在顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；松开内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，使水平定位螺栓、内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母沿所述通槽移动，直至水平定位螺栓与剪切垫块在同一水平面上，使水平定位螺栓顶紧剪切垫块，直至剪切垫块与剪切盒下部紧密接触，随后拧紧内侧水平定位螺母和外侧水平定位螺母，试样放置完成；

4)开启减压阀一，蓄能器内的高压水通过注水管一进入到水压缸一内，水压缸一的缸柱上升，通过压力传感器一向岩石试样施加作用力，压力传感器一将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀一，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀一连接的背压阀一，将减压阀一的高压水放出一部分，进而使水压缸一内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀一，直至压力降到目标压力值；

5)开启减压阀二，蓄能器内的高压水通过注水管二进入到水压缸二内，水压缸二的缸柱上升，通过压力传感器二向岩石试样施加作用力，压力传感器二将信息传递给应变仪，应变仪的数据在电脑上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀二，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀二连接的背压阀二，将减压阀二的高压水放出一部分，进而使水压缸二内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀二，直至压力降到目标压力值；压力施加完成；

6)松开外侧垂直定位螺母；通过调节摇轮，控制钢丝绳，使电磁铁导板下降，使电磁铁与落锤接触；在信息采集控制系统内开启电磁铁开关，电磁铁将落锤吸起，转动摇轮，钢丝绳收缩，将电磁铁和落锤提升到一定高度，利用卷尺测试提升高度，之后在信息采集控制系统内关闭电磁铁开关，电磁铁失去磁性，落锤下落击打冲击锤头，进而作用于岩石试样施加载荷。

本发明的工作原理是通过注水系统将蒸馏水注入到蓄能器，蓄能器为加载装置提供稳定压力，进而使岩石试样处于剪切蠕变状态，在该状态下利用落锤冲击施加扰动载荷，用信息采集控制系统采集和记录实验过程中的正应力、剪应力和剪切位移等数据，研究动态扰动诱致的剪切蠕变失稳。

本发明的有益效果为：本发明利用落锤冲击岩石剪切蠕变试验机不仅可以进行剪切蠕变试验也可以使岩石处于剪切蠕变状态后进行法向的动态加载试验，动态扰动触发的岩石剪切蠕变失稳机理。

附图说明

图1落锤冲击岩石剪切蠕变试验机结构示意图；

图2为蓄能器部分连接关系图；

图3为加载系统结构细节图。

图中：1--电脑；2—应变仪；3—导线；4—水压缸一；5—压力传感器一；6—剪切垫块；7—内侧水平定位螺母；8—水平定位螺栓；9—外侧水平定位螺母；11--外侧垂直定位螺母；12—导杆；13—落锤；14—电磁铁；15—钢丝绳；16—电磁铁导板；17—落锤导板；18—冲击锤头；19—注水管二；20—水压缸二；21—排水管四；22—水槽二；23—排水管三；24—注水管一；25—减压阀二；26—注水阀；27—注水管三；28—减压阀一；29—稳压箱；31—蓄能器；32—水泵；33—连接管一；34—背压阀一；35—排水管一；36—水槽一；37--内侧垂直定位螺母；38—滑块；39—t型槽；40—导轨；41—移动垫块；42—岩石试样；43—通槽；44—压力传感器二。

具体实施方式

如图1-3所示，一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，一种落锤冲击岩石剪切蠕变试验机，包括蓄能器31、加载系统、落锤冲击机构和信息采集控制系统，所述蓄能器31为所述加载系统提供稳定压力，所述加载系统使岩石试样处于剪切蠕变状态，所述落锤冲击机构通过所述加载系统对岩石试样进行法向的动态冲击。

所述加载系统包括箱体、水压缸一4、顶块、剪切盒、垂直定位螺栓、外侧垂直定位螺母、内侧垂直定位螺母37、导轨40、滑块38、移动垫块41、水压缸二20、剪切垫块6、水平定位螺栓8、内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，水压缸一4设置在所述箱体的底面上，所述顶块安装在水压缸一4的缸柱上，所述剪切盒包括上部和下部，所述剪切盒放置在所述顶块上，剪切盒上部与剪切盒下部之间用于放置岩石试样42；垂直定位螺栓通过外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母37安装在所述箱体的顶板上；所述箱体的相对的两个侧壁的内侧分别设有一对平行的竖向的t型槽39，所述导轨40的两端分别设有t型端头，一对所述导轨40的t型端头分别安装在所述箱体的t型槽39内；所述滑块3与一对所述导轨40滑动连接在一起，移动垫块41与所述滑块38连接在一起；水压缸二20设置在所述箱体的侧壁上，水压缸二20的缸柱用于顶在剪切盒上部的侧面；剪切垫块6放置在所述顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；所述箱体的侧壁设有两条平行的竖向的通槽43，一对水平定位螺栓8通过内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9安装在所述通槽43中。

所述蓄能器31设置在稳压箱29内，所述蓄能器31通过注水管一24与水压缸一4相连，注水管一24上设有减压阀一28；所述蓄能器31通过注水管二19与水压缸二20相连，注水管二19上设有减压阀二25；所述蓄能器31设有注水管三27，注水管三27上设有注水阀26，水泵32通过注水管三27向所述蓄能器31注水；减压阀一28通过连接管一33与背压阀一34相连，背压阀一34设有排水管一35；减压阀二通过连接管二与背压阀二相连，背压阀二设有排水管二；所述稳压箱29上设有水槽一36，排水管一35及排水管二的出口端设置在水槽一36内。

所述箱体旁设有水槽二22，水压缸一4设有排水管三23，水压缸二20设有排水管四，排水管三23及排水管四的出口端设置在水槽二22内。

所述落锤冲击机构包括支架、摇轮、定滑轮、钢丝绳15、电磁铁14、电磁铁导板16、落锤13、落锤导板17和冲击锤头18，所述支架包括两根平行的导杆12，所述导杆12垂直设置在所述箱体的顶部，所述摇轮安装在所述箱体的侧壁上，所述定滑轮安装在所述支架的顶端；冲击锤头18设置在垂直定位螺栓上端，落锤导板17套装在两根所述导杆12上，所述落锤13安装在落锤导板17上，所述落锤13与冲击锤头18位置对应；电磁铁导板16套装在两根所述导杆12上，所述电磁铁14安装在电磁铁导板16上；所述钢丝绳15的一端与所述摇轮连接，所述钢丝绳15的另一端与电磁铁导板16连接在一起，所述钢丝绳15绕过所述摇轮和所述定滑轮。

所述信息采集控制系统包括电脑1、应变仪2、压力传感器一5、压力传感器二44、导线3和电磁铁开关，压力传感器一5安装在水压缸一4的缸柱上，压力传感器二44安装在水压缸二20的缸柱上，压力传感器一5及压力传感器二44通过所述导线3与所述应变仪2相连，所述应变仪2和电磁铁开关通过所述导线3与所述电脑1相连；所述电磁铁开关通过所述导线3与所述电磁铁14相连。

一种利用上述落锤冲击岩石剪切蠕变试验机施行的落锤冲击岩石剪切蠕变试验方法，包括如下步骤：

1)在减压阀一28、减压阀二25关闭的前提下，将水泵32与注水管三27连接，打开注水阀26，高压水通过注水管三27进入蓄能器31，直到蓄能器31上的压力表的示数达到15mp，关闭注水阀26，将水泵32与注水管三27断开连接，移除水泵32，蓄能工作完成；

2)将岩石试样42放入剪切盒中，将剪切盒放到顶块的中心位置；首先垂直方向上调整水压缸一4的缸柱的高度，使水压缸二20的缸柱中心与剪切盒上部在同一高度；随后水平方向上使滑块38沿导轨40移动，使移动垫块41位于剪切盒中央上方；其后导轨40的t型端头沿箱体的t型槽39移动，使移动垫块41与剪切盒上部贴合；之后通过调节外侧垂直定位螺母及内侧垂直定位螺母37，使得垂直定位螺栓顶紧滑块，使移动垫块41与剪切盒上部紧密接触；

3)将剪切垫块6放置在顶块上，与剪切盒下部贴紧放置；松开内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，使水平定位螺栓8、内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9沿所述通槽43移动，直至水平定位螺栓8与剪切垫块6在同一水平面上，使水平定位螺栓8顶紧剪切垫块6，直至剪切垫块6与剪切盒下部紧密接触，随后拧紧内侧水平定位螺母7和外侧水平定位螺母9，试样放置完成；

4)开启减压阀一28，蓄能器31内的高压水通过注水管一24进入到水压缸一4内，水压缸一4的缸柱上升，通过压力传感器一5向岩石试样42施加作用力，压力传感器一5将信息传递给应变仪2，应变仪2的数据在电脑1上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀一28，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀一28连接的背压阀一34，将减压阀一28的高压水放出一部分，进而使水压缸一4内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀一34，直至压力降到目标压力值；

5)开启减压阀二25，蓄能器31内的高压水通过注水管二19进入到水压缸二20内，水压缸二20的缸柱上升，通过压力传感器二44向岩石试样42施加作用力，压力传感器二44将信息传递给应变仪2，应变仪2的数据在电脑1上实时显示，当显示压力小于目标压力时，开大减压阀二25，直至到达目标压力；当显示压力大于目标压力时，开启与减压阀二25连接的背压阀二，将减压阀二25的高压水放出一部分，进而使水压缸二20内的压力减小，观察显示压力，调整背压阀二，直至压力降到目标压力值；压力施加完成；

6)松开外侧垂直定位螺母；通过调节摇轮，控制钢丝绳15，使电磁铁导板16下降，使电磁铁14与落锤13接触；在信息采集控制系统内开启电磁铁开关，电磁铁14将落锤13吸起，转动摇轮，钢丝绳15收缩，将电磁铁14和落锤13提升到一定高度，利用卷尺测试提升高度，之后在信息采集控制系统内关闭电磁铁开关，电磁铁14失去磁性，落锤13下落击打冲击锤头18，进而作用于岩石试样42施加载荷。