深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验装置及其实验方法

本发明属于爆破，具体涉及一种用于开展深部高地应力岩体爆破漏斗测试的实验装置及其实验方法。

背景技术：

1、随着社会发展和工业化进程的加速，向深部地下要空间、要资源已经是大势所趋和必然选择。立井是进入深部地下空间的咽喉，巷道是地下空间的动脉。目前，立井和巷道等施工都离不开爆破。此外，对于金属矿山开采，不论是无底柱崩落法采矿、vcr采矿法(vertical crater retreat mining method，垂直深孔球状药包后退式采矿法)采矿，还是目前国家正在大力推行的充填采矿方法，都离不开爆破，都需要利用炸药能量的瞬间释放崩落矿体，实现高效采矿。因此，爆破在深部地下空间建设和深部矿山采矿中都有着重要且难以替代的重要作用。

2、但随着地下空间建设和矿山采矿深度的增加，地应力也逐渐增加，地应力对爆破破裂过程和爆破效果有着显著的影响效应。这导致浅部岩体(其不考虑地应力)的爆破基础理论和爆破技术将不适用于深部岩体。因此，亟需完善深部高地应力岩体的爆破基础理论并升级深部岩体的爆破应用技术。其中，爆破漏斗基础理论是岩石爆破基础理论的重要组成部分，深部高地应力岩体爆破漏斗测试对于确定深部高地应力条件下的炸药单耗等重要物理量具有非常重要的作用。

3、因此，迫切需要研究深部高地应力岩体的爆破漏斗理论，以便于进行爆破漏斗实验测试和评估分析。但是，目前还缺乏专门用于深部高地应力岩体爆破漏斗测试的实验装置和评价分析方法，致使深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验难以开展实施。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例旨在提供一种深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验装置及其实验方法，便于有效开展实施深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验。

2、为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验装置，包括：反力框架，构成为刚性框架结构，所述刚性框架结构的中央具有容置空间；

4、夹持组件，位于所述容置空间中，包括：多个圆环体传压件，该多个圆环体传压件包括：第一圆环体传压件、第二圆环体传压件、第三圆环体传压件及第四圆环体传压件；

5、加载组件，包括：第一加载千斤顶，其一端支撑于所述反力框架的内壁上，另一端连接于所述第一圆环体传压件的外侧壁上，第一加载千斤顶用于施加作用力至第一圆环体传压件，模拟第一方向的深部高地应力；

6、第二加载千斤顶，与所述第一加载千斤顶周向错开设置，且其一端支撑于所述反力框架的内壁上，另一端连接于所述第二圆环体传压件的外侧壁上，第二加载千斤顶用于施加作用力至第二圆环体传压件，模拟第二方向的深部高地应力；

7、在加载力作用下，所述第一圆环体传压件、第二圆环体传压件、第三圆环体传压件及第四圆环体传压件依次邻接合围成圆筒状结构，用于夹持试件，所述第一圆环体传压件与第四圆环体传压件相对设置，所述第二圆环体传压件与第三圆环体传压件相对设置；

8、所述试件为岩体制作的圆柱体结构试件，在所述圆柱体结构试件的中部设有预定深度的炮孔，位于所述圆柱体结构试件的外圆周侧面上包覆有透明层，所述透明层与所述外圆周侧面接触的表面为粘性表面。

9、可选地，位于所述夹持组件的内壁上贴设有缓冲胶垫层。

10、可选地，所述夹持组件合围形成的圆筒状结构的内直径为d+2(d-δ)，其中，所述d为所述试件的下底直径，所述d为缓冲胶垫层的厚度，δ为橡胶垫层被加载施压时的压缩量。

11、可选地，所述第一加载千斤顶和第二加载千斤顶分别连接同一个油源系统，该油源系统用于控制两个千斤顶同步加载施压，以模拟深部岩体中的炮孔周边的均匀分布的地应力；

12、所述炮孔中放置有至少一个炸药装置，用于爆破试件；

13、所述第一加载千斤顶到反力框架之间的节点上设有第一动态压电传感器，所述第二加载千斤顶到反力框架之间的节点上设有第二动态压电传感器，所述第一动态压电传感器与第二动态压电传感器用于监测爆破过程中施加在所述试件上的压力。

14、可选地，合围成的所述圆筒状结构的开口处设有用于收集抛掷碎石的金属罩，所述金属罩的内部设有泡沫内衬，所述金属罩固定连接在所述开口处的端面上。

15、可选地，所述第一圆环体传压件、第二圆环体传压件、第三圆环体传压件和第四圆环体传压件分别包括多个不同弧长尺寸的圆环体传压件，多个不同弧长尺寸的圆环体传压件嵌套叠层设置，且由外向内圆环体传压件的弧长尺寸由大变小，彼此相邻叠层设置的两个圆环体传压件中的第一个圆环体传压件的内壁上设有环向滑槽，第二个圆环体传压件的外壁上设有与所述环向滑槽配合的滑块，所述滑块嵌设于所述滑槽中，且在第一个圆环体传压件上设有防止所述滑块从所述滑槽中脱离的锁止件。

16、可选地，所述炸药装置包括：一个球形薄壳结构，由两个半球形的3d打印壳体组成，所述球形薄壳结构中填充有炸药，所述球形薄壳结构上设有针孔，所述针孔中设有一个起爆探针，且该起爆探针的一端穿过所述针孔置入炸药中，该起爆探针的另一端与外部的高压脉冲起爆器连接。

17、可选地，所述的金属罩的泡沫内衬的厚度不小于5mm；所述炮孔的堵塞物为细沙和强力胶水502的混合物，细沙的粒径为0.4mm～0.7mm，细沙和强力胶水502的质量比为2.3。

18、第二方面，本发明还实施例提供一种深部高应力岩体爆破漏斗测试实验方法，所述方法包括步骤：

19、s10、从爆破现场采样岩石，制作成圆柱体结构试件，在所述圆柱体结构试件的外圆周侧面上包覆透明层；其中，所述透明层与所述外圆周侧面接触的表面为粘性表面；

20、s20、根据包覆有透明层的圆柱体结构试件的直径，确定并组装与之对应尺寸的圆筒状结构的夹持组件，并将所述试件放置于所述夹持组件的中央，并调整好位置；

21、s30、根据所述试件模拟的岩体所处的深部地应力值，计算出第一加载千斤顶与第二加载千斤顶应施加的压力，用于加载以模拟真实岩体所处的深部地应力环境；

22、s40、分阶段利用第一加载千斤顶与第二加载千斤顶逐级加载于夹持组件，以为夹持于中央的试件分级施加压力，并监测第一加载千斤顶及第二加载千斤顶的压力示数是否稳定；

23、s50、当所述第一加载千斤顶及第二加载千斤顶的压力示数处于稳定状态时，将球形薄壳结构中装满炸药，并将起爆探针通过针孔孔置入炸药中；

24、s60、通过所述起爆探针起爆所述炸药，在起爆过程中，继续监测所述第一加载千斤顶及第二加载千斤顶的压力示数是否处于稳定状态，并利用所述透明层的粘性将破碎的岩石原位粘连，以保持所述试件破碎后形态完整性。

25、可选地，步骤s10中，所述方法还包括：裁剪与所述圆柱体结构试件的外圆周侧面周长匹配尺寸的缓冲胶垫层，并将其包裹在所述透明层上；

26、步骤s20中，所述方法还包括：根据包裹有缓冲胶垫层与透明层的圆柱体结构试件的直径，确定并组装与之对应尺寸的圆筒状结构的夹持组件；

27、在步骤s60中，利用第一动态压电传感器与第二压电传感器继续监测所述第一加载千斤顶及第二加载千斤顶的压力示数是否处于稳定状态；

28、步骤s60还包括：在起爆过程中，利用所述缓冲胶垫层吸收部分爆炸应力波，以降低爆炸应力波对第一动态压电传感器与第二动态压电传感器监测显示的所述压力示数稳定性的影响，以及减少对第一加载千斤顶及第二加载千斤顶的加载施压稳定性的影响；

29、监测所述压力示数波动范围是否超过预定压力阈值；

30、若是，则按照预定厚度增加比率，增加所述缓冲胶垫层的厚度，重新开始实验，利用增厚后的缓冲胶垫层吸收爆炸应力波，直至所述第一动态压电传感器与第二压电传感器监测的所述压力示数波动范围在预定压力阈值内。

31、可选地，在步骤s40中，所述分阶段利用第一加载千斤顶与第二加载千斤顶逐级加载于夹持组件，以为夹持于中央的试件分级施加压力包括：

32、分三个阶段利用第一加载千斤顶与第二加载千斤顶逐级加载于夹持组件；其中，第一阶段，将压力从0施加到0.5f，该阶段的加载时间为10～20s；第二阶段，将压力从0.5f施加到0.9f，该阶段的加载时间为40～60s；第三阶段，将压力从0.9f施加到f，该阶段的加载时间不低于150s，并且在压力第一次施加到f后，静置预定时长以观察第一加载千斤顶与第二加载千斤顶的压力示数是否稳定；

33、若不稳定，则重复第三阶段的加载步骤，直到千斤顶的压力示数稳定在压力f。。

34、本发明实施例提供的深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验装置及其实验方法，通过所述反力框架、夹持组件、加载组件及圆柱体结构试件相互之间协同配合，可以实现预定爆破岩石所处深部高地应力的模拟，通过调节加载千斤顶的压力，可以改变圆环体传压件对试件的作用力，从而模拟不同的地应力条件。而且，通过加载组件对夹持组件加载施压，保证试件与传压件之间的密实接触，通过反力框架提供稳定的边界约束和反作用力，可以防止冲孔和漏斗变形的问题，从而提高试验的准确性和可靠性。进一步地，通过在圆柱体结构试件的外圆周侧面上包覆透明层，该透明层的一个表面具有粘性，这样便于保持试件破碎后形态的完整性，便于后续方便地观察爆破后试件的损伤状况，并可直观地看到爆破后试件的裂纹分布和漏斗形态，从而方便评价爆破漏斗测试实验效果。由此，便于有效开展实施深部高地应力岩体爆破漏斗测试实验。