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专利名称：模拟冲击型岩爆的实验方法
技术领域：
本发明涉及深部矿山工程岩体力学和岩土工程研究领域，特别涉及一种模拟冲击型岩爆的实验方法。
背景技术：
随着矿山、水利水电、铁路(公路)交通隧道等岩土工程向深部发展，岩爆作为一 种深部矿井中一种非常危险的灾害现象，其发生越来越频繁。岩爆具有突发性、猛烈性，破坏时弹射出的岩石碎块携带着大量的能量，会对设备和人员造成威胁，严重的还会危及生命。众所周知，爆破是目前大型水利、隧道、矿山工程、核电工程岩体开挖必不可少的施工手段。炸药在岩体中爆炸瞬时释放出大量的爆炸能，产生爆炸冲击波和应力波，以动载荷的形式作用于周围岩体，使周围岩体产生破碎和损伤，甚至发生岩爆。而目前的有关岩爆的实验室模拟实验方法大都是基于静载荷作用下实施的，未见有在开挖或者爆破等扰动因素作用下的实验方法。由于深部岩体特有的力学特征，加上目前人类对进入深部岩体的规律研究时间不久，对于扰动因素作用下的岩爆发生规律的认识尚浅。所以在工程开挖、爆破过程中，为了研究岩体在开挖、爆破等扰动因素作用下的情况，本申请发明人对基于扰动因素作用下的岩爆现象进行实验室模拟，提出了一种模拟冲击型岩爆的实验方法。

发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种基于扰动因素作用的模拟冲击型岩爆的实验方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案本发明的一种模拟冲击型岩爆的实验方法，包括如下步骤SI、制作具有贯穿孔洞或者半截孔洞的岩样试件；S2、向所述岩样试件加载三向初始静载应力，并保载，模拟开挖巷道受静载应力作用的情况；S3、向所述岩样试件加载一向或两向或三向扰动载荷0. 5-10分钟,观察岩样试件的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象，其中的扰动载荷用以模拟开挖、爆破、地震或者机械振动波形；S4、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果观察到孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态0. 5-10分钟观察岩样试件是否进一步被破坏，如果岩样试件没有进一步被破坏，则停止载荷扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程，则观察、记录该破坏过程,冲击岩爆实验结束；S5、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果没有观察到岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态2-10分钟观察岩样试件是否出现剥落现象，如果岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，则重复上述步骤S4及以下实验步骤；如果岩样试件孔洞内表面没有出现剥落现象，则停止扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程则观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束。本发明的另一种模拟冲击型岩爆的实验方法，包括如下步骤SI、制作具有贯穿孔洞或者半截孔洞的岩样试件；S2、向所述岩样试件加载三向初始静载应力，并保载，模拟开挖巷道受静载应力作用的情况；S3、向所述岩样试件加载一向或两向或三向扰动载荷0. 5-10分钟,观察岩样试件 的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象，其中的扰动载荷用以模拟开挖、爆破、地震或者机械振动波形；S4、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果观察到孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态0. 5-10分钟观察岩样试件是否进一步被破坏，如果岩样试件没有进一步被破坏，则停止载荷扰动加载，并提高一向或两向或三向扰动载荷的强度值，重复上述步骤S3及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程，则观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束；S5、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果没有观察到岩样试件孔洞内表面表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态2-10分钟观察岩样试件是否出现剥落现象，如果岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，则重复上述步骤S4及以下实验步骤；如果岩样试件孔洞内表面没有出现剥落现象，则停止扰动加载，并提高一向或两向或三向扰动载荷的强度值，重复上述步骤S3及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程则观察、记录该破坏过程,冲击岩爆实验结束。进一步地，上述模拟冲击型岩爆的实验方法中所述步骤SI中，岩样试件取自于拟开挖现场处的岩体。所述步骤S4、S5中，在岩样试件未被破坏而停止扰动后，提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，提高的幅度为所述步骤S3中向岩样试件加载的扰动载荷的强度。所述步骤S2中，静载应力的加载方式为力加载方式或变位加载方式，其中，当采用变位加载方式时，加载速率为0. 004-0. 2mm/s,当采用力加载方式时，加载速率为0. 05_2kN/s。。所述步骤SI中的岩样试件中的贯穿孔洞或者半截孔洞的横面呈圆形、半圆形或者马蹄形。所述步骤SI中的岩样试件带有节理结构，该带有节理结构的岩样试件由现场取回加工而成，或按如下方法制成(I)制作若干块5 IOmm厚的石膏板或者3 8mm厚的树脂板，并风干；(2)用粘接剂将风干好的石膏板或树脂板若干片粘接在一起形成层叠体，风干；(3)节理走向将风干好的层叠石膏体切割成所需要的尺寸，并在中心线位置加工出孔洞，获得带有节理结构的岩样试件。所述步骤S3中，所述扰动载荷的扰动信号包括循环波扰动信号、单脉冲扰动信号、阶跃脉冲扰动信号、噪声波扰动信号，或者是上述任一种循环波扰动信号与斜坡波叠加在一起形成的复合波扰动信号，或者是所述复合波扰动信号与噪声波扰动信号叠加在一起形成的叠加扰动信号。其中，还包括录像步骤和/或拍照步骤，当岩样试件表面有现象产生时，用微型摄像头对破坏过程进行摄像和/或拍照。由上述技术方案可知，本发明的模拟冲击型岩爆的实验方法的优点和积极效果在于本发明的模拟冲击型岩爆的实验方法中，岩样试件带有孔洞，这真实地模拟了开挖或者爆破现场隧道等的实际状态。本发明中通过对岩样试件在一个、两个或者三个方向施加静应力载荷及扰动载荷真实模拟了开挖或者爆破现场隧道等承受静应力以及承受扰动载荷的情况，根据实验设计，可以根据地质深度不同向岩样试件加载不同的静应力载荷及扰动载荷，并且进一步根据开挖现场的实际状况设计不同形式的扰动载荷，如脉冲波或者噪声波等，以真实模拟由于机械振动、地震、人为开挖动作等产生的扰动载荷。本发明在扰动载 荷作用下成功诱发岩样试件的岩爆现象发生，通过研究岩样试件的岩爆现象的机理，为逐步了解和掌握实际岩爆现象的本质奠定了基础。特别是，当所用的岩样试件是取自于开挖或者爆破现场时，通过模拟该岩样试件的岩爆灾害现象，并对岩爆过程及现象进行充分分析，就有利于较准确地找到对开挖或者爆破冲击作用敏感的薄弱部位，从而针对该薄弱部位，采取加强支护措施，达到维护施工安全的目的，确保采矿等工作的顺利进行。本发明中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。


图I是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第一实施例的流程图；图2A至图2E是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法中所使用的各种试件的结构示意图；图3是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第一实验例的实验路线图；图4A至图4F是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第一实验例中，实验过程中所拍摄的岩爆过程的照片；图5表不本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第一实验例中，向岩样试件上加载扰动载荷信号的原理图；图6是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第二实施例的流程图；图7是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第二实验例的实验路线图；图8A至图8F是本发明模拟冲击型岩爆的实验方法第二实验例中，实验过程中所拍摄的岩爆过程的照片。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。本发明的模拟冲击型岩爆的实验方法实施例中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向相互垂直，构成三维空间，X轴方向、Z轴方向为水平方向，Y轴方向为竖直方向。实施例I
如图I所示，本发明的模拟冲击型岩爆的实验方法第一实施例，包括如下步骤SI、制作岩样试件60，岩样试件60中央具有截面呈圆形的贯穿孔洞61 (见图2A)或者呈圆形的半截孔洞62 (见图2B)或者呈马蹄形贯穿孔洞63 (见图2C)或者呈马蹄形的半截孔洞64(见图2D)。岩样试件60中的孔洞主要是贯穿孔洞和半截孔洞，但孔洞的截面形状可以多种多样，不限于圆形或马蹄形。该岩样试件可以是实验室制作，也可以是取自于拟开挖现场处的岩体，采用拟开挖现场处的岩体不但可以研究岩爆发生的机理，还可以对实际的现场开挖、爆破起到指导作用。S2、向岩样试件加载三向初始静载应力，并保载，以模拟开挖巷道受静载应力的情况。其中静载应力的加载方式为力加载方式或变位加载方式，其中，当采用变位加载方式时，加载速率为O. 004-0. 2mm/s,当采用力加载方式时，加载速率为O. 05_2kN/s。S3、向岩样试件加载一向或两向或三向扰动载荷O. 5-10分钟,观察岩样试件的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象，其中的扰动载荷用以模拟开挖、爆破、地震或者机械振动波形。S4、在步骤S3的扰动载荷作用下，如果观察到孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态O. 5-10分钟观察岩样试件是否进一步被破坏，如果岩样试件没有进一步被破坏，则停止载荷扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，一向或两向或三向静载应力值增加的量可以是步骤S3中向岩样试件加载的扰动载荷的强度，当然不以此为限，也可以是其他量，提高了岩样试件的三向静载应力值后，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程，则观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束；另外的一种情况在步骤S3的扰动载荷作用下，孔洞内表面出现剥落现象，紧接着出现进一步破坏现象并发展为岩爆，则直接观察记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束。S5、在步骤S3的扰动载荷作用下，如果没有观察到岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态2-10分钟观察岩样试件是否出现剥落现象，如果岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，则重复上述步骤S4及以下实验步骤；如果岩样试件孔洞内表面没有出现剥落现象，则停止扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，三向静载应力值增加的量可以是步骤S3中向岩样试件加载的扰动载荷的强度，当然不以此为限，也可以是其他量，提高了岩样试件的三向静载应力值后，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程则观察、记录好冲击岩爆过程实验路线图、振幅及频率、发生的现象及时刻、应力、应变等，冲击岩爆实验结束。在上述实验过程中，还包括用微型摄像头对破坏过程进行摄像或者拍照步骤，SP当观察到岩样试件表面有剥落现象时和/或当岩样试件进入被破坏过程时，用微型摄像头对破坏过程进行摄像或者拍照，或者同时进行拍照和摄像。如图2E所示，上述实验的步骤SI中还可以制成带有节理结构的岩样试件，具体由如下方法制成(I)模拟现场岩体配比制作若干块5 IOmm厚的石膏板或者3 8mm厚的树脂板，并风干；(2)用粘接剂将风干好的石膏板或树脂板若干片粘接在一起形成层叠体，风干；(3)模拟现场岩体节理走向将风干好的层叠石膏体切割成所需要的尺寸，例如，160X 160X 160mm的正方体，并在中心线位置加工出孔洞，获得带有节理结构的岩样试件。这种带有节理结构的岩样试件也可以由拟开挖或者爆破的现场取回再进行加工而形成。、
如表一所不,上述实验的S3步骤中，向岩样试件加载的扰动载荷信号可以是循环波扰动信号、单脉冲扰动信号(用于模拟冲击地压、爆破瞬间冲击)、阶跃脉冲扰动信号、噪声波扰动信号(用于模拟施工机械振动、矿车运行振动和地震波扰动信号)，或者是上述任一种循环波扰动信号与斜坡波叠加在一起形成的复合波扰动信号，或者是所述复合波扰动信号与噪声波扰动信号叠加在一起形成的叠加扰动信号。其中，单脉冲扰动信号包括正弦波、三角形波、正锯齿波、方波等，单脉冲扰动信号的脉宽和脉冲幅值均能调节；阶跃脉冲扰动信号包括半正弦波、半三角形波、半正锯齿波、半方波等，阶跃脉冲扰动信号的脉宽和脉冲幅值均均能调节。下面例举了一些典型的扰动载荷信号类型，如表一所示。表一
权利要求
1.一种模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，包括如下步骤 51、制作具有贯穿孔洞或者半截孔洞的岩样试件； 52、向所述岩样试件加载三向初始静载应力，并保载，模拟开挖巷道受静载应力作用的情况； 53、向所述岩样试件加载一向或两向或三向扰动载荷O.5-10分钟,观察岩样试件的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象，其中的扰动载荷用以模拟开挖、爆破、地震或者机械振动波形； 54、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果观察到孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态O. 5-10分钟观察岩样试件是否进一歩被破坏，如果岩样试件没有进ー步被破坏，则停止载荷扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应カ值，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程，则观察、记录该破坏过程，冲击岩瀑实验结束； 55、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果没有观察到岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态2-10分钟观察岩样试件是否出现剥落现象，如果岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，则重复上述步骤S4及以下实验步骤；如果岩样试件孔洞内表面没有出现剥落现象，则停止扰动加载，并提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应カ值，重复上述步骤S2及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程则观察、记录该破坏过程,冲击岩瀑实验结束。
2.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中，岩样试件取自于拟开挖现场处的岩体。
3.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S4、S5中，在岩样试件未被破坏而停止扰动后，提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应力值，提高的幅度为所述步骤S3中向岩样试件加载的扰动载荷的強度。
4.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，静载应カ的加载方式为カ加载方式或变位加载方式，其中，当采用变位加载方式时，加载速率为O. 004-0. 2mm/s,当采用カ加载方式时，加载速率为O. 05_2kN/s。
5.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中的岩样试件中的贯穿孔洞或者半截孔洞的横面呈圆形、半圆形或者马蹄形。
6.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中的岩样试件带有节理结构，该带有节理结构的岩样试件由现场取回加工而成，或按如下方法制成 (1)制作若干块5 IOmm厚的石膏板或者3 8mm厚的树脂板，并风干； (2)用粘接剂将风干好的石膏板或树脂板若干片粘接在一起形成层叠体，风干； (3)节理走向将风干好的层叠石膏体切割成所需要的尺寸，并在中心线位置加工出孔洞，获得带有节理结构的岩样试件。
7.如权利要求I所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述扰动载荷的扰动信号包括循环波扰动信号、单脉冲扰动信号、阶跃脉冲扰动信号、噪声波扰动信号，或者是上述任一种循环波扰动信号与斜坡波叠加在一起形成的复合波扰动信号，或者是所述复合波扰动信号与噪声波扰动信号叠加在一起形成的叠加扰动信号。
8.如权利要求1-7之任一项所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，还包括录像步骤和/或拍照步骤，当岩样试件表面有现象产生时，用微型摄像头对破坏过程进行摄像和/或拍照。
9.一种模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，包括如下步骤 51、制作具有贯穿孔洞或者半截孔洞的岩样试件； 52、向所述岩样试件加载三向初始静载应力，并保载，模拟开挖巷道受静载应力作用的情况； 53、向所述岩样试件加载一向或两向或三向扰动载荷O.5-10分钟,观察岩样试件的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象，其中的扰动载荷用以模拟开挖、爆破、地震或者机械振动波形； 54、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果观察到孔洞内表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态O. 5-10分钟观察岩样试件是否进一歩被破坏，如果岩样试件没有进ー步被破坏，则停止载荷扰动加载，并提高扰动载荷的強度值，重复上述步骤S3及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程，则观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束； 55、在所述步骤S3的扰动载荷作用下，如果没有观察到岩样试件孔洞内表面表面出现剥落现象，继续保持S3步骤中的扰动载荷加载状态2-10分钟观察岩样试件是否出现剥落现象，如果岩样试件孔洞内表面出现剥落现象，则重复上述步骤S4及以下实验步骤；如果岩样试件孔洞内表面没有出现剥落现象，则停止扰动加载，并提高扰动载荷的强度值，重复上述步骤S3及以下实验步骤；如果岩样试件进入破坏过程则观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束。
10.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中，岩样试件取自于拟开挖现场处的岩体。
11.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S4、S5中，在岩样试件未被破坏而停止扰动后，提高向岩样试件加载的一向或两向或三向静载应カ值，提高的幅度为所述步骤S3中向岩样试件加载的扰动载荷的強度。
12.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S2中，静载应カ的加载方式为カ加载方式或变位加载方式，其中，当采用变位加载方式时，加载速率为O. 004-0. 2mm/s,当采用カ加载方式时，加载速率为O. 05_2kN/s。。
13.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中的岩样试件中的贯穿孔洞或者半截孔洞的横面呈圆形、半圆形或者马蹄形。
14.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤SI中的岩样试件带有节理结构，该带有节理结构的岩样试件现场取回加工而成，或按由如下方法制成 (1)制作若干块5 IOmm厚的石膏板或者3 8mm厚的树脂板，并风干； (2)用粘接剂将风干好的石膏板或树脂板若干片粘接在一起形成层叠体，风干； (3)节理走向将风干好的层叠石膏体切割成所需要的尺寸，并在中心线位置加工出孔洞，获得带有节理结构的岩样试件。
15.如权利要求9所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述扰动载荷的扰动信号包括循环波扰动信号、单脉冲扰动信号、阶跃脉冲扰动信号、噪声波扰动信号，或者是上述任一种循环波扰动信号与斜坡波叠加在一起形成的复合波扰动信号，或者是所述复合波扰动信号与噪声波扰动信号叠加在一起形成的叠加扰动信号。
16.如权利要求9-15之任一项所述的模拟冲击型岩爆的实验方法，其特征在干，还包括录像步骤和/或拍照步骤，当岩样试件表面有现象产生时，用微型摄像头对破坏过程进行摄像和/或拍照。
全文摘要
本发明提供了一种模拟冲击型岩爆的实验方法，包括如下步骤制作具有贯穿孔洞或者半截孔洞的岩样试件；向所述岩样试件加载三向初始静载应力；向岩样试件加载扰动载荷0.5-10分钟，观察岩样试件的贯穿孔洞或者半截孔洞内表面是否有剥落现象；观察孔洞内表面是否出现剥落现象，若出现并进一步被破坏，则观察、记录该破坏过程，若未出现则提高向岩样试件加载的静载应力值，或者提高扰动载荷强度继续重复实验过程，直至岩样试件进入破坏过程，观察、记录该破坏过程，冲击岩爆实验结束。本发明在扰动载荷作用下成功诱发岩样试件的岩爆现象发生，通过研究岩样试件的岩爆现象的机理，为逐步了解和掌握实际岩爆现象的本质奠定了基础。
文档编号G01N3/313GK102636398SQ201210102230
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者何满潮, 孙晓明, 杨晓杰 申请人:中国矿业大学(北京)