基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统及方法

本发明涉及岩体力学试验设备，具体涉及一种岩体真三轴室内试验测试系统及方法。

背景技术：

1、我国浅部矿产资源趋于枯竭。未来，我国矿产资源开发将全面进入1000～2000m深度。在复杂的深部矿山开采系统中，深部巷道和采场围岩不仅受到高地应力和开挖卸荷的影响，还有可能受到崩矿、落矿或相邻采场机械凿岩等外界动力扰动的影响。因此面临的是受力环境复杂，开采难度加大。地下工程的开挖势必会转移和释放围岩内部储存的部分能量。开挖卸荷后深部采场和巷道围岩受力状态的改变将导致近场围岩的强度和承载能力弱化加剧、不稳定块体增加，使得深部矿产资源开采成为极具挑战性的世界难题。

2、而锚杆支护技术是深部采矿等工程领域中最常用的围岩加固方式之一，室内试验又是锚杆锚固效应及机制研究的重要手段。当前对于加锚岩体力学特性试验及锚固机理研究大多是基于单轴压缩、双轴压缩及动态冲击等试验，但是对于深部多维应力环境下采动岩体锚固效应及控制机理研究尚不多见。事实上，深部矿山灾害的发生机制与深部岩体所处的真三维应力环境(三个方向的主应力大小往往并不相同)和工程开挖扰动密切相关。此外，以往岩体锚固破坏特性试验都是在施加荷载之前就已将锚固体锚固于岩样之中，而实际工程中的锚杆是在开挖卸荷之后再进行安装的，此时岩体在锚固之前不仅会受到高地应力的作用，还会受到开挖损伤的影响，在锚固之后还有可能受到外界动力扰动的作用。

3、由此可见，现有技术装置及方法无法再现模拟深部煤岩在复杂多变的应力变化环境，现有技术有待于进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，其真实再现了深部工程岩体“先受力，后开挖，再钻孔锚固，最后扰动破坏”的受力全过程。

2、为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，其包括真三轴试验装置，所述的真三轴试验装置包括试验仓、加载机构及夹具组件，所述的试验仓为框体结构，其位于试验台上，在试验仓的内部放置岩石试样，所述的加载机构包括加载单元和上、下、左、右、前及后加载板；还包括扰动装置和可移动锚固支护装置，所述的扰动装置包括第一扰动机构和第二扰动机构，所述的第一扰动机构安装在位于最大主应力的上、下加载板上，所述的第二扰动机构安装在位于中间应力的前、后加载板上；

4、所述的第一扰动机构和第二扰动机构均包括静态作动器、扰动杆、连接杆以及扰动作动器，两个所述的静态作动器分别安装在上加载板和右加载板上，两个所述的扰动杆、连接杆以及扰动作动器分别安装在下加载板和左加载板上；所述的扰动作动器、连接杆和扰动杆依次连接，所述的扰动杆的另一端与岩石试样的表面相接触；

5、所述的可移动锚固支护装置包括移动机构、支撑机构以及锚固支护机构，所述的移动机构包括底座、第一导轨和第一液压缸，所述的底座的一端与试验台对齐，另一端恰好接触所述的下加载板，所述的底座与下加载板固定在一起；所述的第一导轨位于所述的底座上，且平行设置有两条，两条第一导轨均指向所述的试验仓所在方向，在所述的底座的两端设置有两条第二导轨，所述的第二导轨与所述的第一导轨方向相互垂直，在所述的第二导轨上均设置有第二滑块；

6、所述的支撑机构包括升降装置，在所述的升降装置的底部设置有滑动组件，所述的升降装置在所述的滑动组件的作用下，可在所述的第一导轨上平行滑动；所述的第一液压缸的一端连接在所述的滑动组件上，另一端连接在所述的第二滑块上；

7、所述锚固支护机构位于所述的升降装置上，用于对岩石试样进行钻孔并锚固支护。

8、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，所述的锚固支护机构包括电机和钻杆，所述的电机通过输出轴与钻杆相连接，在所述的钻杆外围设置有螺旋状叶片，在所述的输出轴和钻杆的内部设置有孔道，在所述的输出轴上设置有带有进气孔的密封壳，所述的钻杆的前端设置有钻头。

9、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，在所述的电机附近的升降装置上设置有氮气瓶，通过所述的氮气瓶为所述的钻头提供氮气，用于对高速旋转的钻头进行降温。

10、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，所述的氮气瓶连接有导气管，所述的导气管的另一端与所述的进气孔连通，所述的进气孔的孔道与输出轴以及钻杆内部的孔道大小相同。

11、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，所述的夹具组件包括上夹具、下夹具、左夹具、右夹具、前夹具以及后夹具，所述的上夹具位于所述的岩石试样与上加载板之间，所述的下夹具位于所述的岩石试样与下加载板之间，所述的左夹具位于所述的岩石试样与左加载板之间，所述的右夹具位于所述的岩石试样与右加载板之间，所述的前夹具位于所述的岩石试样与前加载板之间，所述的后夹具位于所述的岩石试样与后加载板之间。

12、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，所述的滑动组件包括四个第一滑块，四个第一滑块分别安装在所述的升降装置的底部，四个第一滑块可在所述的第一导轨上朝向/背离试验仓的方向上相对滑动。

13、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，在所述的上夹具、下夹具、前夹具和后夹具上均粘贴有声发射传感器；在所述的试验仓附近安装有高速摄像机。

14、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，所述的升降装置包括上承重板、下承重板和位于二者之间的伸缩件，所述的锚固支护机构和氮气瓶位于上承重板上。

15、本发明的另一目的在于提供一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验方法，包括以下步骤：

16、步骤一、将岩石试样置于试验仓内，将声发射传感器安装于上、下、前、后夹具上，将可移动锚固支护装置与试验台固定在一起，并安装好可移动锚固支护装置；

17、步骤二、通过真三轴试验机向岩石试样施加应力，通过上、下加载板，即z轴方向的最大主应力σ1增加至1mpa；同样通过前、后加载板以及左、右加载板对岩石试样，即x轴方向和y轴方向的中间主应力σ2及最小主应力σ3增加至1mpa；随后，再采用荷载控制的方式，以一定的速度将σ1、σ2、σ3加载至预定应力值；

18、步骤三、保持中间主应力σ2不变，以一定的速率卸载σ3至0mpa，以再现开挖卸荷的过程，将左、右加载板即对应的夹具拆卸；

19、步骤四、打开锚固支护机构中电机的开关，使得钻头高速旋转，通过氮气瓶向钻头提供氮气；通过移动机构带动升降装置向岩石试样方向靠近，当靠近到一定距离进入切割阶段，钻头接触岩石试样并对其预设位置进行钻孔；待岩石试样钻孔结束后，通过控制第一液压缸使其带着钻头反方向移动并退出切割阶段；

20、步骤五、将环氧树脂锚固剂放入步骤四切割后的岩石试样钻孔中，再将粘贴有应变片的锚杆插入岩石试验钻孔中，分别安装托盘及托盘螺母，用锚杆对环氧树脂锚固剂进行搅拌，使得锚杆与岩石试样充分粘接在一起；

21、步骤六、安装扰动装置，并通过扰动装置进行扰动，保持中间主应力σ2的值不变，采用位移控制的方式以一定的速率增加最大主应力σ1，至接近锚固岩石试样峰值强度，一般在峰值强度的70％-90％之间。保持此时的最大主应力，通过动态作动器对岩石试样表面施加低频的周期扰动载荷σd(即扰动应力)，直至锚固岩石试样发生破坏，实验结束；

22、步骤七、结合试验数据以及理论知识，展开分析。

23、上述的一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验方法，步骤四中，锚固方式包括端锚锚固、全长锚固和柔性锚固。

24、与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

25、本发明提出了一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统，其包括真三轴试验装置、扰动装置和可移动锚固支护装置，通过将岩石试样放置于试验仓内，通过加载机构对其施加x轴、y轴和z轴方向的应力，施加应力后卸压，在卸压后通过可移动锚固支护装置对其进行钻孔和锚杆支护。

26、本发明考虑到地下采动岩体开挖卸荷后，会产生失稳现象，为解决这一问题需要在开挖后及时支护锚杆。因此，采用了真三轴试验装置与可移动锚固支护装置二者相互配合的方式，通过真三轴试验装置对岩体试样进行卸荷后，即可随即通过可移动锚固支护装置对其打锚杆支护，更符合实际工程背景中的及时有效支护。

27、另外，本发明中可移动锚固支护装置，其是结合真三轴试验装置进行使用的，如其与真三轴试验装置的试验台固定在一起，可移动锚固支护装置进行钻孔支护，该钻孔支护是在特定的受力环境下即岩石试样在卸载后失稳前对其进行支护的。

28、本发明一种基于“先卸-后锚-再扰”的岩体真三轴试验系统及方法，真实再现了地下工程锚固岩体“三维初始静应力+卸载扰动+钻孔锚固+外界动力扰动”的受力全过程，克服了以往先锚固，后受力岩体锚固破坏特性试验的缺点；为后续研究不同锚固工况对于深部采动工程岩体的力学行为、峰值强度及损伤变形特征的影响规律提供理论基础。