用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，该系统可以改变围岩应力、药包数量、药包位置、装药量、药孔直径等条件，通过读取爆破瞬时过程中炮孔周围岩体的应变数据，从而分析爆炸应力波对岩体的作用机理、起裂速度及裂缝发展情况。本发明专利技术的用于研究围压下岩体爆炸应力波作用机理的系统，能够研究爆炸应力波产生时对试件的作用机理、爆炸应力波在试件裂纹起裂时的作用效果、不同强度围压下爆炸应力波相互叠加作用的效果及规律，并在此基础上对断裂动力学理论和应力波理论进行更深入的研究。

An experimental system and method for studying the mechanism of stress wave in surrounding rock explosion

【技术实现步骤摘要】
用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法
本专利技术属于实验断裂力学研究领域，具体涉及一种用于围压岩体在爆炸应力波作用下的断裂机理的实验系统及方法。
技术介绍
目前我国煤矿开采、隧道开挖主要以爆破的形式进行开采，煤岩巷道围岩应力、岩石的硬度成为制约巷道掘进的主要因素。几年来，国内爆破技术得到广泛的更为广泛的应用，爆破形式也更加丰富，钻眼爆破、光面爆破、定向断裂控制爆破技术在露天矿和深部矿井、道路建设、隧道和立井开挖中有着广泛的应用。但是，目前围压下爆破破岩的具体过程尚未完全弄清。一般认为，岩体内最初有一定的天然缝隙，在爆炸应应力波的传递过程中，爆炸气体渗入裂隙并在围压作用下，使应力波造成的裂纹进一步扩展。围岩爆破相对于露天爆破来说是更加复杂的一个过程，爆炸的瞬时性以及爆炸后围压作用的不稳定性都会使得爆破结果变得难以控制，这给爆破破岩机理的实验研究带来了很大难度。随着如今煤炭开采深度的不断增加，科学技术也不断进步，所需的爆破技术也需要更加成熟，科研工作者通过先进的实验设备如高速摄影仪等对爆破瞬间岩体所产生的各种现象如应变、应力、破裂等的观测，对岩石的爆破破坏机理的研究取得了一定的成果，对实际工程应用具有一定指导意义和实用价值。但是天然岩体的内部存在着诸多裂隙以及岩体的不均匀特性，同时由于围岩应力的存在，必然导致部分炮孔起爆后围压岩体的裂纹起裂至贯通的路径难以控制，然而目前关于围压岩体爆炸应力波作用的实验和研究相对较少。因此，有必要对围压岩体爆炸应力波作用的过程和机理、应力波对运动裂纹扩展规律的影响等问题进行研究。这对于优化爆破参数、改进爆破工艺以及断裂动力学理论的发展等都具有重要的理论和实际意义。基于现有围岩爆破技术的不足和缺陷，结合现代应变片电测技术，设计了一种围压岩体爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，这对工程实践以及断裂动力学理论的发展等都具有重要的理论和实际意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，该系统可以改变围岩应力、药包数量、药包位置、装药量、药孔直径等条件，通过读取爆破瞬时过程中炮孔周围岩体的应变数据，从而分析爆炸应力波对岩体的作用机理、起裂速度及裂缝发展情况。本专利技术提供一种研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统，具体通过以下技术方案实现的：所述实验系统包括多通道脉冲点火器、围压加载装置、围压驱动装置、围压操控平台、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、数据处理中心、试件；用信号线线连接桥盒和试件上的应变片，用屏蔽线连接桥盒和地面，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接超动态应变仪和数据采集仪，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心；用起爆探针连接多通道脉冲点火器和药包。所述实验系统数据处理中心中安装超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为上升沿；在配套测试程序设置各项参数；配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；所述实验系统利用多通道脉冲点火器触发试件中心的起爆探针引爆药包，通过炸药爆炸产生爆炸应力波作用于试件；爆炸瞬时产生的应力波触发药包最近的应变片，同时或先后向数据采集仪发出触发信号，触发信号传递至数据处理中心触发超动态应变仪配套测试程序，开始采集应变片数据；所述的实验系统，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹扩展速度等力学参数；实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间；所述的实验系统，炸药药包的位置和装药量可以改变，进而改变爆炸应力波的强度和不同应力波之间的叠加情况。所述的实验系统，围压加载装置在药包引爆之前设置好所需要的围压，通过围压操控平台控制围压驱动装置。所述的实验系统，围压加载装置包括第一油缸和第二油缸，分别控制x方向、y方向的压力值；每个加载油缸通过进油管和回油管与围压驱动装置相连，围压驱动装置通过围压操控平台控制压力值的变化。根据任一所述的系统研究的围压下岩石爆炸应力波作用机理的方法，包括以下步骤：首先，用相应数量的信号线连接应变片、桥盒、数据采集仪、超动态应变仪、数据处理中心，并在多通道脉冲点火器对应的放电通道接上信号线；然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，末端穿过药包密封盖的圆孔，接着将密封盖盖上，以确保探针尖端插入炸药中，再将装药完毕的炸药药包放入试件炮孔中；之后，通过围压操控平台对试件进行竖向和横向加压；最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，引爆炸药。本专利技术的用于研究围压下岩体爆炸应力波作用机理的系统，能够研究爆炸应力波产生时对试件的作用机理、爆炸应力波在试件裂纹起裂时的作用效果、不同强度围压下爆炸应力波相互叠加作用效果及规律，并在此基础上对断裂动力学理论和应力波理论进行更深入的研究。系统利用多通道脉冲点火器引爆炸药，操作简便，可靠性高。药包起爆后，爆炸荷载和外部围压载荷同时作用于试件上，爆炸应力波开始传播，然而试件要经过数微秒后才会起裂。并且爆炸应力波的传播速度一般可达2000m/s左右，爆生裂纹的扩展速度最大仅为300m/s～500m/s左右。因此试件受到爆炸荷载作用后到爆生裂纹起裂前的时间足够完成对超动态应变仪的触发，从而有充分的观测，但是实验中必须严格控制药包起爆的时间，使它们能够按照实验要求同时起爆或在极短的试件内先后起爆。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)能够实现通过电测法对爆炸应力波作用的试件进行实时监测；(2)通过改变药量的大小、炮孔的位置，能够改变爆炸应力波的强度；(3)通过改变围压大小，能够改变爆炸应力波传播的速率及不同的传播情况；(4)根据实验需要，可在试件上粘贴多个不同角度的应变片，采集多组电测数据，同时系统通过点火引爆炸药后自动开始采集数据，从而减小实验误差；(5)实验中围压系统与爆破系统属于两个相对独立的系统，实验过程中互不影响可单独操作，因此保证了实验的稳定性。本实验系统已进行了相关的实验，得到了较好的实验结果。下面结合附图对本专利技术的用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法作进一步说明。附图说明图1为本专利技术系统的结构原理图；图2为图1中围压驱动系统细节图；图3为图2围压操控平台细节图；图4为电测计算模块流程图；附图标记说明：1、试件，2、数据处理中心，3、围压驱动系统，4、数据采集仪，5、超动态应变仪，6、多通道脉冲点火器，7、脉冲点火器充电器；8、围压加载支架，9第一油缸，10、第二油缸，11、地面，12、承压板，13、应变片，14、漆包线，15、屏蔽线，16、炮孔，17、第一进油管，18、第一回油管，19、第二进油管，20、第二回油管，21、桥盒，。31、驱动马达，32、油箱，33、总控油阀，34、第一油缸控制器，35、第一油缸阀门，36、第二油缸阀门，37、第二油缸控制器，38、压力表，39、围压操控平台，301、信号传输带，302、电气传输线。391、第一油缸油压显示器，392、第二油缸油压显示器，393、加载控制器具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术一种用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，其特征在于：包括多通道脉冲点火器、围压加载装置、围压驱动装置、围压操控平台、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、数据处理中心、试件；所述试件放置与围压加载装置内，试件上钻有炮孔，放置切缝药包；用信号线线连接桥盒和试件上的应变片、超动态应变仪、数据采集仪、数据处理中心；用起爆探针连接多通道脉冲点火器和药包。

【技术特征摘要】
1.本发明一种用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，其特征在于：包括多通道脉冲点火器、围压加载装置、围压驱动装置、围压操控平台、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、数据处理中心、试件；所述试件放置与围压加载装置内，试件上钻有炮孔，放置切缝药包；用信号线线连接桥盒和试件上的应变片、超动态应变仪、数据采集仪、数据处理中心；用起爆探针连接多通道脉冲点火器和药包。2.根据权利要求1所述的用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，其特征在于：所述的实验系统利用多通道脉冲点火器触发试件中心的起爆探针引爆药包，通过炸药爆炸产生爆炸应力波作用于试件；爆炸瞬时产生的应力波触发药包最近的应变片，同时或先后向超动态应变仪发出触发信号，触发信号传递至数据处理中心触发超动态应变仪配套测试程序，开始采集应变片数据。3.根据权利要求1所述的用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统及方法，其特征在于：所述的实验系统，炸药药包的位置和装药量可以改变，进而改变爆炸应力波的强度和不同围压下应力波传递变化的情况。4.根据权利要求1所述的用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳中文，岳小磊，彭麟智，李阿康，王鹏，周俊，宋晨哲，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11