一种爆炸近区岩石受耦合载荷的模拟装置及模拟方法

本发明涉及爆炸冲击动力学领域，尤其设计一种爆炸近区岩石受耦合载荷的模拟装置及模拟方法。

背景技术：

1、岩石在爆炸近区受到耦合荷载的作用是研究岩石力学和岩石爆炸工程领域的重要课题之一。在炸药爆炸的一瞬间，爆炸冲击波在岩石中传播，并引起岩石的破裂、变形和破碎。在实际中，在爆炸近区，除了爆炸波的直接作用外，还存在能量传递和耦合效应引起的耦合荷载，这些耦合荷载由爆炸冲击波和超高温爆生气体同时产生，他们对岩石的力学性质和破坏行为产生显著影响。

2、在实际爆炸过程中，钻孔爆破工程约50％的炸药能量被消耗在爆破粉碎区岩石的过度破碎中。因此，研究爆破粉碎区岩石的动态行为对于钻孔爆破工程降本减排具有重要的意义。然而爆破粉碎区超高应力(20-50gpa)和高温爆生气体(2500-3500℃)耦合作用下破碎的，爆破现场实验和常规的实验手段难以实现在超高应力和爆生气体共同作用下岩石破碎状态和物理量的观测。目前，仅有少量的研究通过轻气炮驱动飞片加载岩石实现了超高应力的加载状态，或采用机械法生成高温气体，但气体的温度无法达到2500℃，而且无法实现两种作用的耦合作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术当中的问题，公开了一种爆炸近区岩石受耦合载荷的模拟装置，包括有：

2、子弹发射装置，其用于向弹靶碰撞室发射二级子弹；

3、弹靶碰撞室，其包括有弹靶碰撞室外壳以及弹靶碰撞腔体，所述弹靶碰撞腔体包括有靶环、样品盒、高温气体释放元件、待检测靶材，所述高温气体释放元件固定在靶环上，所述的样品盒安装在靶环内部，所述的样品盒设有空心部，待检测靶材容纳于空心部中，高温气体释放元件位于待检测靶材前端，高温气体释放元件在受到二级子弹撞击后能够向二级子弹释放高温气体；待检测靶材为岩石类介质，其中包括花岗岩，砂岩，页岩等，可根据具体研究对象进行更改变换。

4、回收桶装置，其位于弹靶碰撞腔体中，用于回收待检测靶材撞击后形成的存留物。

5、在优选的方案当中，所述的高温气体释放元件为碳酸盐粉体制成的胚体，碳酸盐受到二级子弹撞击进行超高温气体释放。

6、在优选的方案当中，所述的碳酸盐选自碳酸钙、碳酸钠、碳酸镁、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸亚铁、碳酸铜。

7、在优选的方案当中，弹靶碰撞室外壳上设有密封窗口，所述的模拟装置设有观测装置，所述的观测装置通过密封窗口观测待检测靶材的撞击情况,

8、在优选的方案当中，所述的子弹发射装置包括有高压气室、泵管、高压锥段、发射炮管，所述的高压气室、泵管、高压锥段、发射炮管依次连接。

9、在优选的方案当中，所述的高压气室和泵管中进行充入氮气和/或氦气。

10、在优选的方案当中，所述的高压气室包括密封容器、隔热层、进气阀、储存气舱、出气阀，以用于存储和释放压缩气体以推动一级子弹发射。高压气室中包含的隔热层，密封容器采用隔热材料进行包覆，这种隔热层可以有效地减少热量的传输，从而减少能量的损失。所述高压气室中的进气阀，是对储存气舱进行压缩气体充入，主要充入氮气；所述高压气室中的储存气舱，是对压缩气体在储存气舱进行密闭储存，在二级轻气炮进行发射操作时进行快速释放推动一级子弹；所述高压气室内部包括一个快速出气阀，出气阀与储存气舱链接，用于控制高压力压缩气体的快速释放，使其推动一级子弹快速运动；所述高压气室的密封容器具有散热结构，以控制高压气体的温度并减少能量损失，并能够储存更多的压缩气体并提供更稳定的推动力。

11、在优选的方案当中，所述的泵管与高压气室连接，高压气室能够推动一级子弹在泵管中运动。

12、在优选的方案当中，所述的压锥段将泵管和发射炮管进行连接，并推动二级子弹(15)运动。

13、在优选的方案当中，所述的一级子弹包括活塞头段和活塞尾段，其中活塞头段为圆台状，活塞尾段为哑铃状，活塞尾端还设置有凹槽，所述二级子弹为圆柱状，在其尾部会有阶梯型凸起，保证在安装二级子弹时避免在试验开始前进入发射管内部，二级子弹15尾部内侧设置有圆台状凹槽。

14、本发明还公开了一种爆炸近区岩石受耦合载荷的模拟方法，采用所述的模拟装置，模拟方法的步骤如下：

15、s1:将预制好的高温气体释放元件和待检测靶材进行两者贴合，将高温气体释放元件对准发射炮管的二级子弹出口处；

16、s2：将一级子弹装进泵管发射入口处一端，安装完成后将尾塞旋紧，确认气路与活塞尾部通道接通；

17、s3：对发射炮管和靶室、泵管进行抽真空操作；

18、s4：抽到规定真空度后，关闭接泵管端的阀门，打开泵管加气阀门，向泵管里注入压缩气体，达到预期数值；

19、s5：进行实验。

20、所述泵管2，高压锥段3和发射炮管4主体内部需保持光滑性能，且在内部表面涂抹一定的润滑剂，避免一级子弹14和二级子弹15与泵管2，高压锥段3和发射炮管4主体内部摩檫力过大，降低发射的速度，影响实验结果。

21、爆炸近区的岩石类介质受到爆炸冲击波和爆生气体耦合作用使岩石类介质产生裂纹缝隙直至破碎。对爆炸近区岩石类介质所受到的冲击波作用，本发明专利采用二级轻气炮装置中的二级子弹从发射炮管中高速飞出撞击岩石类介质所带来的冲击波模拟实现，并在撞击时会带来高温和高压的效果。

22、对爆炸近区岩石类介质所受到的爆生气体作用，本发明专利采用碳酸盐类物质来模拟实现，并将碳酸盐类粉体制作成胚体，安装在待检测靶材受到来击样品的撞击一端，在二级子弹飞出的一瞬间，利用其产生高温高压和冲击速度高的特点撞击安装在待检测靶材的碳酸盐胚体，其中碳酸盐类物质受到二级子弹撞击的一瞬间进行超高温气体释放，作用在待检测靶材上。

23、采用二级轻气炮中二级子弹的高速冲击碳酸盐胚体和岩石的复合待检测靶材，所产生的冲击波将从碳酸盐胚体传播进入待检测靶材，可以在待检测靶材中产生超高应力的作用，在撞击后碳酸盐胚体变为气体后与冲击波同时作用在待检测靶材上，模拟爆炸近区的岩石类介质受到爆炸冲击波和爆生气体耦合作用使岩石类介质发生的冲击破碎效果。

24、通过控制二级子弹撞击待检测靶材的速度来控制不同的冲击波压力和冲击波速度；通过控制碳酸盐胚体的孔隙率，碳酸盐胚体在冲击波的作用下会释放不同温度的气体，实现对岩石类介质的高温气体作用。

25、所述二级轻气炮的二级子弹15的撞击速度可根据研究目的，选择合适的撞击速度，通过确定二级子弹15重量、密封膜片厚度、一级子弹14质量、所需要的气压，通过控制系统和供气系统相结合，向高压气室1中注入相应气压的气体，使二级子弹15的速度达到200-4000m/s。

26、本发明涉及一种爆破近区岩石受耦合载荷的模拟装置及模拟方法，本发明能够实现了一种爆破近区岩石受超高应力和超高温爆生气体耦合作用的模拟装置，并提出了在模拟装置中观测岩石在受超高应力和超高温爆生气体耦合作用的方法，研究岩石类介质在爆炸近区受到耦合荷载的作用下的行为，可以更进一步了解岩石类介质在受到耦合荷载作用下对岩石的力学性质和破坏机理的影响。