模拟岩爆的钻压一体化试验装置和试验方法与流程

本发明属于隧道或硐室开采技术领域，具体涉及一种基于多功能真三轴流固耦合试验系统的模拟岩爆的钻压一体化试验装置。

背景技术：

在地下隧道或硐室开挖中，岩体所处的应力平衡状态被打破，造成局部应力集中，当局部应力大于岩石强度时，岩石破碎，并伴有大量的岩块喷射到工作面，这种现象称为岩爆。

目前，关于岩爆的研究多采用先对岩石试样进行钻孔，后进行加载，以观察岩爆的过程，由于钻孔时岩石试样并未处于应力加载状态，因此仅能模拟应力调整的过程，不能模拟开挖卸荷的状态。而真实环境中开挖卸荷时岩石已处于应力加载状态，岩爆的发生是在开挖卸荷和应力调整共同作用下产生的。为此，研究人员对岩石试样先钻孔，然后在孔内填充相似材料，当进行模拟岩爆试验时，将充填材料凿出，来模拟隧道开挖过程。然而，相似材料与真实的岩石相比，有较大的差异。因此，需要发明一种试验装置，能够将岩石隧道开挖和应力调整结合起来进行岩爆过程的模拟。

技术实现要素：

本发明基于现有的真三轴流固耦合试验系统进行改造，形成一种能模拟岩爆的钻压一体化试验装置，能够用于模拟岩石在原位应力条件下的岩爆过程，更加贴近现场实际情况。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种模拟岩爆的钻压一体化试验装置，包括真三轴流固耦合试验系统，所述真三轴流固耦合试验系统的上、下、左、右、前、后六个方位分别设置有带压头的高精度液压缸，前方位的高精度液压缸固定安装在支撑平台上，还包括电钻、滑动板和刚性支架，所述电钻固定安装在滑动板上，电钻的钻头端朝向岩石试样，电钻的尾端与前高精度液压缸的压头之间加装有90°倒置的工字钢，且电钻的钻头正对岩石试样的中心，所述刚性支架包括固定板和支撑柱，滑动板与固定板通过t形槽上下相连实现滑动连接，每三根支撑柱为一组，沿着电钻轴线延伸的方向间隔设置有多组支撑柱共同支承固定板，每组的三根支撑柱呈上部分离、下部岔开的状态，支撑柱的上端焊接在固定板的正下方，每根支撑柱的下端安装有一个脚套，所述支撑平台上设置有与脚套对应的三条t形轨道，所述脚套套在各自对应的t形轨道上并通过螺栓锁固。

作为上述方案的优选，所述电钻能夹持不同直径的钻头对岩石试样进行钻孔。

进一步优选为，所述工字钢两端面均粘有橡胶垫。

同时，本发明还提供了一种利用上述的钻压一体化试验装置模拟岩爆的试验方法，包括以下步骤：

第一步，试件准备和安装；

制备岩石试样，并将制备好的岩石试样放入真三轴流固耦合试验系统的试样腔中；

第二步，装置安装；

选取合适直径的钻头安装到电钻上，将电钻固定在滑动板上，并紧贴工字钢，然后推动滑动板,确保滑动板能够在刚性支架上顺利滑动，再利用螺栓将刚性支架固定在支撑平台上；

第三步，应力加载；

根据试验要求，利用真三轴流固耦合试验系统对岩石试样施加上、下、左、右、后五个方位的应力，并保持应力稳定，设置电钻的一侧不施加应力从而形成临空面；

第四步，岩石钻孔；

控制前精度液压缸的压头向前移动，进而推动工字钢，使电钻匀速前进，在岩石试样的临空面中心处进行钻孔；

第五步，岩爆模拟；

待钻孔深度达到试验要求后，停止钻孔，控制前高精度液压缸的压头向后移动，拆除支撑平台上的电钻、滑动板和工字钢，期间保持岩石试样上、下、左、右、后五个方位的加载应力不变，再将高速摄影机放置在刚性支架上，最后进行上下两个方位的应力加载，模拟岩爆的发生。

本发明的有益效果：

(1)先利用真三轴流固耦合试验系统进行上、下、左、右、后五个方位的应力加载以模拟隧道开挖前的应力环境，再利用电钻借用临空面一侧已有的高精度液压缸进行钻孔模拟原位应力状态下的开挖，最后利用真三轴流固耦合试验系统进行上下两个方位的应力加载以模拟开挖卸荷与应力调整共同作用下产生的岩爆过程，能真实模拟岩石在原位应力条件下的岩爆过程，更加贴近现场实际情况，具有现实的指导意义和重要的研究价值；

(2)基于真三轴流固耦合试验系统进行改造，用于模拟岩爆试验，集钻孔和应力加载于一体，构思巧妙，改造小，性能可靠；

(3)鉴于岩爆过程中冲击大，采用上小下大的框架结构的刚性支架对电钻进行支承，同时结合t形槽滑动连接，三条t形轨道、多组支撑柱以及脚套加螺栓紧固的安装方式，抗冲击能力强，结构稳定，安装拆卸方便，试验轻松快速、效率高，特别适合硬岩岩爆模拟；

(4)在电钻与压头之间增加工字钢，能很好地保护电钻和压头，实现平稳匀速钻孔。

附图说明

图1为模拟岩爆的钻压一体化试验装置的结构示意图。

图2为滑动板与刚性支架的固定板滑动连接示意图。

图3为刚性支架与支撑平台的安装示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图3所示，一种模拟岩爆的钻压一体化试验装置，基于真三轴流固耦合试验系统进行改造(图1中仅示出了部分真三轴流固耦合试验系统)，该系统于2014年7月2日在国家知识产权局网站上公告授权，专利号为201210231738.x。真三轴流固耦合试验系统通过上、下、左、右、前、后六个方位分别设置的带压头1a的高精度液压缸1对试样腔内的试样进行应力加载，其中，前方位的高精度液压缸1固定安装在支撑平台2上。

在真三轴流固耦合试验系统的基础上，增加了电钻3、滑动板4、刚性支架5、工字钢6、橡胶垫7。

左、右、前、后四个方位的高精度液压缸1均能进行水平载荷的加载，选取前方位设置电钻3，巧妙地利用现有的支撑平台2安装电钻3，更方便布置和操作。最好是，在支撑平台2的尾部设置有挡块2b，以防止高精度液压缸1滑出支撑平台2。

电钻3固定安装在滑动板4上，电钻3的钻头端朝向岩石试样b，岩石试样b置于真三轴流固耦合试验系统的试样腔内。电钻3的尾端与前高精度液压缸1的压头1a之间加装有90°倒置的工字钢6。最好是，工字钢6两端面均粘有橡胶垫7，起到缓冲作用。电钻3的钻头正对岩石试样b的中心，电钻3能夹持不同直径的钻头3a对岩石试样b进行钻孔，从而模拟不同隧道尺寸的岩爆试验。

刚性支架5由固定板5a、支撑柱5b和脚套5c组成。滑动板4与固定板5a通过t形槽上下相连实现滑动连接。每三根支撑柱5b为一组，沿着电钻3轴线延伸的方向间隔设置有多组支撑柱5b共同支承固定板5a。每组的三根支撑柱5b呈上部分离、下部岔开的状态，即分为左中右三根，左右两根呈八字形，中间一根竖直设置。支撑柱5b的上端焊接在固定板5a的正下方，每根支撑柱5b的下端安装有一个脚套5c，支撑平台2上设置有与脚套5c对应的三条t形轨道2a，脚套5c套在各自对应的t形轨道2a上并通过螺栓锁固。

一种上述的钻压一体化试验装置模拟岩爆的试验方法，包括以下步骤：

第一步，试件准备和安装；

制备岩石试样b，并将制备好的岩石试样b放入真三轴流固耦合试验系统的试样腔中。

第二步，装置安装；

选取合适直径的钻头安装到电钻3上，将电钻3固定在滑动板4上，并紧贴工字钢6的前端，工字钢6的后端紧贴压头1a；然后推动滑动板4,确保滑动板4能够在刚性支架5上顺利滑动，再利用螺栓将刚性支架5固定在支撑平台2上。

第三步，应力加载；

根据试验要求，利用真三轴流固耦合试验系统a对岩石试样b施加上、下、左、右、后五个方位的应力，并保持应力稳定，设置电钻3的一侧不施加应力从而形成临空面。

第四步，岩石钻孔；

控制前高精度液压缸1的压头1a向前移动，进而推动工字钢6，使电钻3匀速前进，在岩石试样b的临空面中心处进行钻孔。

第五步，岩爆模拟；

待钻孔深度达到试验要求后，停止钻孔，控制前高精度液压缸1的压头1a向后移动，拆除支撑平台2上的电钻3、滑动板4和工字钢6，期间保持岩石试样上、下、左、右、后五个方位的加载应力不变，再将高速摄影机放置在刚性支架5上，最后进行上下两个方位的应力加载，模拟岩爆的发生。