一种二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置及方法

本发明属于岩石力学实验领域，特别涉及一种二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置及方法。

背景技术：

1、目前矿产资源的生产和消费在未来一段时间内仍处于高位态势。然而，长期大规模、高强度、粗放式的过度开发造成地球浅部资源日益枯竭，国内外许多矿山相继进入千米级深部开采阶段，特别是硬岩矿山。应力是岩体灾害发生的源动力，岩体失稳正是在应力的驱动下裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观破裂的过程。

2、目前，硬岩矿山普遍采用钻爆法开采，岩体除受地应力的静载作用，还受周边炸药的爆破动载作用，钻爆作用下深部岩体的受力模式为“高应力静载+动力强扰动”。因此，研究动静耦合加载下岩石的破裂演化过程至关重要。为了观测裂纹的扩展过程，试验中通常将试样加工成薄板形状，因为厚大试样的表面裂纹不能真实反映内部破裂发育情况。因此，研究中通常制备含裂隙或孔洞缺陷薄板试样进行动静岩石力学实验来探索裂隙岩体和硬岩巷道围岩的破裂演化机制。专利号cn112284922a公开了一种煤岩体高温三轴流变动静组合加载装置，针对圆柱形试样采用伺服控制系统实现了轴向低应变率动载和水介质围压下的动静耦合加载；专利号(cn1731133a、cn100397063c)公开的霍普金森压杆实验系统可以对圆柱形试样进行一维静载下的一维动载冲击试验和三维静载(假三轴)下的一维动载冲击试验；专利号cn110286028a公开了一种多维动静组合加载岩石力学实验装置，能够实现对长方体试样进行一、二、三维静载下的一维动载冲击试验；专利号cn 114778344 a借助落锤系统和真三轴系统公开了一种锚固体的三维静载和一维动载组合加载实验装置；专利号cn 109406311a还公开了一种真三轴动静组合加载霍普金森压杆系统，可以对立方体试样进行三个方向上的动载和静载的三维同步施加。由上可见，上述专利对圆柱形和立方体试样实现了一维至三维的动静组合加载，但对薄板状试样进行二维静载下一维动态冲击破裂试验并不适用，因为薄板试样在上述装置中被夹持后板面朝向固定难以调整，空间受限，以致无法满足不同距离高速摄像机和数字图像系统等裂纹实时监测系统的使用。因此，亟需发明一种二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置及方法，对巷道围岩破裂演化行为实验研究提供充分保障。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，提供一种为二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置及方法，该装置能在二维动静载荷作用下调整岩石试样板面的倾角，使板面能够朝向任意方向，为试样裂纹动态发育实时监测提供了空间条件，解决了板状岩石二维静载和冲击动载同步加卸荷及实验过程中岩石损伤破裂实时监测的技术难题，实现了不同二维静载下板状岩石的不同动载冲击破裂试验。该装置结构简单，使用方便，实用性较强。

2、为达到上述目的，本发明的一种二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置，包括相互配合工作的霍普金森压杆实验系统、轴向静载加载系统、侧向静载加载系统和裂纹实时监测系统，其中侧向静载加载系统为龙门架结构并纵向设置，被监测的板状岩石试样设置在侧向静载加载系统的龙门架结构中，其中板状岩石试样竖向设置，板状岩石试样的方形面前后设置，左右、上下均为板状岩石试样的四面相同的侧面，轴向静载加载系统和侧向静载加载系统分别设置在板状岩石试样的左右、上下两侧的侧面；

3、所述裂纹实时监测系统为设置在板状岩石试样侧面用以实时捕捉板状岩石试样上的裂隙缺陷发育情况的高速工业摄像机，高速工业摄像机连接有图片采集端；

4、霍普金森压杆实验系统包括横向设置在板状岩石试样左侧侧面并接触的入射杆，以及横向设置在板状岩石试样右侧侧面并接触的透射杆，入射杆的另一端通过基座平台连接有高压气体激发装置，透射杆另一端连接有缓冲杆；

5、轴向静载加载系统与霍普金森压杆实验系统匹配使用，包括液压油缸，液压油缸内设有端部与缓冲杆连接的t型柱塞，t型柱塞通过活塞杆与缓冲杆连接，其中液压油缸的无杆腔连接有手动液压泵；

6、所述侧向静载加载系统包括底部设置在两条龙门架轨道上可以移动的龙门架，龙门架包括垂直并排设置的两根竖向立柱，两根竖向立柱顶部之间设有工字钢横梁，工字钢横梁上设有可以在其上左右移动的悬吊滚轮组件，悬吊滚轮组件下方设有能够通过上下面夹持板状岩石试样上下侧面的多角度夹持组件，多角度夹持组件通过线路连接有控制其工作的侧向静载液压控制终端，两根竖向立柱的底部分别通过抱轨滚轮组件与龙门架轨道匹配连接。

7、进一步，多角度夹持组件包括分别与板状岩石试样上下面侧面接触的上下两部分，上部分通过上部液压支柱连接有悬吊滚轮组件，悬吊滚轮组件活动设置在工字钢横梁上，下部分通过下部液压支柱连接在基座平台上，其中上部液压支柱和下部液压支柱均通过导线连接有侧向静载液压控制终端；抱轨滚轮组件上设有用以固定位置的锁脚螺钉。

8、进一步，多角度夹持组件的上半部分包括与上部液压支柱连接的转向基座，转向基座通过弧形滑轨连接有上转盘，上转盘上设有用于与板状岩石试样顶面接触的加载端，多角度夹持组件的下半部分包括与下部液压支柱端部通过弧形滑轨连接的转向基座，转向基座上设有用于与板状岩石试样底面接触的加载端，其中弧形滑轨与转向基座之间设有用以固定彼此位置的紧固螺钉，弧形滑轨上标注有转向基座角度的角度刻度线。

9、进一步，高压气体激发装置包括通过基座平台与入射杆连接的发射管，发射管内设有可以沿发射管移动并最终撞击在入射杆上的冲头，发射管的端部嵌接有用以激发冲头的激发发射腔，激发发射腔连接有作为动力源的氮气罐。

10、进一步，入射杆和透射杆上分别设有应变片，所有应变片均通过动态应变仪连接有示波器。

11、进一步，基座平台上连接有用以检测冲头激发后冲击速度的测速仪。

12、一种二维静载下板状岩石冲击破裂实验装置的方法，其特征在于步骤如下：

13、s1、准备试验仪器：准备霍普金森压杆实验系统、轴向静载加载系统、侧向静载加载系统和裂纹实时监测系统并进行组合、安装和固定；先不放置板状岩石试样，通过轴向静载加载系统对霍普金森压杆系统施加微小的轴向水平载荷使入射杆、透射杆和缓冲杆紧密接触，随后开启霍普金森压杆实验系统连续进行三次相同气压下的空冲试验来检测示波器中显示的入射波、反射波和透射波波形是否异常以及测速仪测定的冲头撞击速度是否一致。通过核实杆系对准精度、应变片位置和冲头初始位置来改善应力波波形直至满足应力均匀性假设；

14、s2、安装试样：对准备的待观测表面制作有散斑的完整或者含贯通缺陷的板状岩石试样的四个加载端面涂抹凡士林，然后将板状岩石试样置于入射杆和透射杆之间，调整并使板面朝向正对准试样前方一定距离的裂纹实时监测系统中的高速工业摄像机(，施加一定的轴向静载挤压板状岩石试样左右两侧使其初步固定；移动侧压加载系统的抱轨滚轮组件和悬吊滚轮组件并固定，将多角度夹持组件置于板状岩石试样正上方，借助侧向载荷液压控制终端调节上部液压支柱、下部液压支柱和旋转上转盘、下转盘使加载端对准板状岩石试样上下两端面并拧紧紧固螺钉；

15、s3、设置实验参数：复位动态应变仪、示波器、测速仪，设根据预设实验方案进行二维动静载荷和图像采集参数，包括冲击气压、轴向静载载荷、侧向静载载荷、动态应变仪桥压和桥接方式、示波器带宽和采样率、高速工业摄像机图像采集频率；

16、s4、启动试验：同步开启动态应变仪、示波器、测速仪、侧向静载液压控制终端，根据实验方案先采用手动液压泵缓慢施加轴向静载到预定载荷，然后利用侧向静载液压控制终端按照相同速率施加侧向静载至预定载荷，随后打开充满一定气压氮气的激发发射腔的开关进行二维静载下的板状岩石的冲击破裂实验；

17、s5、数据图像处理：根据动态应变仪、采集的应力波电压信号，基于应力波理论计算并绘制应力波时程曲线和应力应变曲线，分析板状岩石试样的动态力学特性；基于实时采集的图像分析裂纹动态起裂、扩展和贯通特征，继而揭示板状岩石试样的破裂演化机制；

18、恢复各个实验装置，准备下一组实验。

19、有益效果：

20、本装置能够实现板状岩石试样动静破裂行为的研究，为岩石巷道破坏行为的研究提供设备保障和实验途径。主要的突出优点为：

21、1)轴向静载加载系统中通过手动液压泵注/卸油驱动活塞运动挤压杆件，联合霍普金森压杆实验系统实现了板状试样恒定轴向水平静载的施加和卸荷；侧向静载加载系统依靠可滑动的滚轮组件能够轻松实现自身的前后左右移动，实现了板状岩石试样侧向静载载荷的直接独立施加。该装置各系统相互匹配且动静载荷可以独立施加，装置可靠性较高，载荷量程范围大。

22、2)多角度夹持组件除了对入射杆和透射杆之间的板状试样在侧向进行夹持来传递侧向静载加载系统在其上下端作用的侧向静载外，更主要的功能是通过自身调节能适应不同放置倾角的板状岩石试样，可以满足试样前方放置的裂纹实时监测系统中的高速工业摄像机镜头与试样待观测板面垂直的监测要求，保证了动静加载过程中板状试样破裂状态的准确和持续监测。