一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法技术

本发明专利技术公开一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法，试验夹具包括岩石试件，还包括底座、直角U形槽、挡板、扭力测力计和垫块，底座的底板前端设有刻度，底座的底板上设有沉头螺丝孔A，直角U形槽的底部设有与沉头螺丝孔A相对应的螺丝孔，直角U形槽通过沉头螺丝可拆卸的与底座连接；岩石试件放置于直角U形槽内，垫块放置于岩石试件的顶部，挡板为长方体结构并放置于岩石试件的一侧；直角U形槽的一侧也设有沉头螺丝孔B，挡板上设有和沉头螺丝孔B相对应的非贯通螺丝孔；外六角螺丝上设置有活动螺母，扭力测力计用于对每个沉头螺丝孔B内的外六角螺丝测力确保固定岩石试件的每个外六角螺丝的预紧力一致。每个外六角螺丝的预紧力一致。每个外六角螺丝的预紧力一致。

【技术实现步骤摘要】
一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法


[0001]本专利技术涉及岩石岩爆测试领域，尤其涉及一种用于模拟单面临空状态下岩石岩爆现象的试验夹具和测试方法。

技术介绍

[0002]随着岩土工程的开挖和矿产资源的开采逐渐转向地球深部，地下动力灾害事故(如冒顶、岩爆等)频发，给地下工程建设带来了巨大的挑战。其中，岩爆是岩体中积聚的弹性变形能超过岩体的临界弹性变形能，多余的能量突然释放导致岩块从母岩中快速变形、高速弹射的一种剧烈的岩石动力破坏现象，目前已经成为全球范围内地下深部工程中亟待解决的问题。
[0003]国内外现有开展岩石材料岩爆特征、机理及预测的研究，大多是基于传统真三轴实验装置和六面加载、一面突然卸载的应力路径。一方面，传统真三轴试验夹具存在不能完全覆盖岩石试件表面的弊端；另一方面，六面加载、一面突然卸载的应力路径中发生岩爆时的加载、卸载次数因各岩石试件的各向异性而具有随机性。上述真三轴试验夹具和应力路径只适用于即时性岩爆的研究。然而实际工程现象表明，大部分岩爆的发生于地下矿井开挖一段时间后(称之为时滞性岩爆)。而上述研究无法明确时滞性岩爆的特征、发生机理等。目前，由于测试方法和技术的限制，时滞性岩爆的研究非常有限。近来报道的动力扰动型岩爆真三轴试验夹具虽然弥补了过往时滞性岩爆研究的空白，但是利用该夹具进行岩爆试验时，存在以下弊端：首先，该夹具五个加载方向的压板是互相分离的，在加载时需要手动将其安装，每个方向压板位置偏移都会增加试验的误差，且每次试验都需要拆卸试验夹具；其次，使用普通螺钉和U形头螺连接组装夹具时，旋转各个螺钉的力的偏差都将导致各压板未能完全与岩石试件接触；最后，安装好的侧压板需要刚性推头施加压力使其固定，不适用于单轴、双轴压缩机，不具有简易性和普适性。因此，设计一种可以在单轴、双轴压缩试验机使用的用于模拟时滞性岩爆现象的普适和简易的夹具是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具及测试方法，该夹具可以在单轴、双轴和三轴压缩试验中使用，减少每次试验拆卸夹具的时间，精准控制各方向压板与岩石试件的完全接触，既能实现时滞性岩爆灾害机理、预防的研究，又能提高试验准确率，节省试验成本。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，包括岩石试件、底座、直角U形槽、挡板、扭力测力计和垫块，所述底座为顶部和前端开口的空心长方体结构，所述底座的底板前端设有刻度，所述底座的底板左侧、底板右侧和底板后侧均设有沉头螺丝孔A，所述直角U形槽的底部设有与所述沉头螺丝孔A相对应的螺丝孔，所述直角U形槽通过沉头螺丝可拆卸的与所述底座连接；岩石试件放置于所述直角U形槽内，所述垫块放置于所述岩石试件的顶
部，所述挡板为长方体结构并放置于所述岩石试件的一侧；所述直角U形槽的一侧设有沉头螺丝孔B，所述挡板上设有和所述沉头螺丝孔B相对应的非贯通螺丝孔；通过外六角螺丝穿过沉头螺丝孔B和挡板上的非贯通螺丝孔固定岩石试件；所述挡板和直角U形槽之间的外六角螺丝上设置有活动螺母，所述扭力测力计用于对每个沉头螺丝孔B内的外六角螺丝测力确保固定岩石试件的每个外六角螺丝的预紧力一致。
[0007]进一步的，所述刻度的精度为0.1mm。
[0008]进一步的，所述直角U形槽的开口方向与底座前端开口方向相同，直角U形槽内部宽度与底座左右两侧宽度相同，直角U形槽长度与底座前端开口长度相同。
[0009]进一步的，垫块底面积与岩石试件底面积相同。
[0010]进一步的，所述扭力测力计由手柄、示数表和六角螺套；所述六角螺套与所述外六角螺丝的规格匹配，扭力测力计能够双向测力，在对外六角螺丝测力时确保示数表逆时针、顺时针指数相同。
[0011]进一步的，挡板高度、厚度分别与直角U形槽的高度和内部宽度一致。
[0012]进一步的，外六角螺丝的自带螺母厚度小于沉头螺丝孔B的沉头距离。沉头螺丝孔B和沉头螺丝孔A均为贯通的螺丝孔。
[0013]本专利技术还提供一种用于岩石单面临空状态下岩爆的测试方法，包括以下步骤：
[0014](1)将岩石试件放置于直角U形槽中，并通过挡板和外六角螺丝固定岩石试件；
[0015](2)将扭力测力计的六角螺套旋入外六角螺丝的螺母中，用于测量外六角螺丝的预应力，确保每个外六角螺丝预应力测量值相同，即保证岩石试件表面受力均匀；
[0016](3)将高速摄影仪A对准岩石试件的临空面，将高速摄影仪B对准垂直于岩石试件的临空面的一侧，调整高速摄影仪A和高速摄影仪B的分辨率和帧数，并将高速摄影仪设置成结束触发模式；
[0017](4)将伺服液压刚性试验机的输出轴施加在垫块顶部，启动伺服液压刚性试验机，按照设定加载速率施加轴压，通过轴向压力测试系统得到岩石试件的力学参数；
[0018](5)伺服液压刚性试验机报警同时触发高速摄影仪A和高速摄影仪B，记录岩石试件岩爆现象，并计算岩石试件岩爆时喷射速度，完成测试。
[0019]10.根据权利要求8所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的测试方法，其特征在于，按以下公式计算岩石试件极限承载强度σ：
[0020][0021]式中：F、A分别为轴向压力测试系统记录到的峰值荷载和岩石试件的顶部横截面积；F、A的单位分别为kN和mm2；
[0022]根据以下公式计算岩石试件岩爆时喷射速度v
e
：
[0023][0024]式中d是弹射距离，m；g为重力加速度，m/s2；h为弹射碎片的高度，m；θ为弹射角度。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0026]首先，底座的底板前端设有刻度，挡板与外六角螺丝的位置可根据岩石试件规格和设置刻度精准调节；其次，利用设计扭力测力计测量外六角螺丝预应力，保证岩石试件与
挡板完全均匀接触且岩石试件基本不承受侧向力；此外，试验结束后不需要每次都拆卸夹具，操作简易，提高了试验效率；最后，直角U形槽右侧设计沉头螺丝孔，使得该夹具既可以配合单轴压缩试验机使用又可配合双轴、三轴压缩试验机开展试验，提高了该夹具的普适性。
附图说明
[0027]图1为安装有岩石试件时的试验夹具立体示意图；
[0028]图2为未安装岩石试件时的试验夹具立体示意图
[0029]图3为底座的立体结构示意图；
[0030]图4a为直角U形槽的结构示意图；
[0031]图4b为直角U形槽的底面平面示意图；
[0032]图5为垫块的结构示意图；
[0033]图6为扭力测力计的结构示意图；
[0034]图7a为岩石试件和垫块平面示意图；
[0035]图7b为岩石试件和垫块立体示意图；
[0036]图8a为利用该专利技术试验夹具模拟单轴加载单面临空煤岩岩(煤)爆的试验示意图；
[0037]图8b为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，包括岩石试件，其特征在于，还包括底座、直角U形槽、挡板、扭力测力计和垫块，所述底座为顶部和前端开口的空心长方体结构，所述底座的底板前端设有刻度，所述底座的底板左侧、底板右侧和底板后侧均设有沉头螺丝孔A，所述直角U形槽的底部设有与所述沉头螺丝孔A相对应的螺丝孔，所述直角U形槽通过沉头螺丝可拆卸的与所述底座连接；岩石试件放置于所述直角U形槽内，所述垫块放置于所述岩石试件的顶部，所述挡板为长方体结构并放置于所述岩石试件的一侧；所述直角U形槽的一侧设有沉头螺丝孔B，所述挡板上设有和所述沉头螺丝孔B相对应的非贯通螺丝孔；通过外六角螺丝穿过沉头螺丝孔B和挡板上的非贯通螺丝孔固定岩石试件；所述挡板和直角U形槽之间的外六角螺丝上设置有活动螺母，所述扭力测力计用于对每个沉头螺丝孔B内的外六角螺丝测力确保固定岩石试件的每个外六角螺丝的预紧力一致。2.根据权利要求1所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，其特征在于，所述刻度的精度为0.1mm。3.根据权利要求1所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，其特征在于，所述直角U形槽的开口方向与底座前端开口方向相同，直角U形槽内部宽度与底座左右两侧宽度相同，直角U形槽长度与底座前端开口长度相同。4.根据权利要求1所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，其特征在于，垫块底面积与岩石试件底面积相同。5.根据权利要求1所述一种用于岩石单面临空状态下岩爆的试验夹具，其特征在于，所述扭力测力计由手柄、示数表和六角螺套；所述六角螺套与所述外六角螺丝的规格匹配，扭力测力计能够双向测力，在对外六角螺丝测力时确保示数表逆时针、顺时针指数相同。6.根据权利要求1所述一种用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建波，赵晓玲，周韬，李刚，汤伟雄，曹培旺，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：