一种岩爆诱发装置及岩爆诱发方法

摘要

本发明公开了一种岩爆诱发装置及岩爆诱发方法，该装置包括岩爆诱发箱、立方体岩石试样、卸荷杆，所述岩石试样上具有试样孔，所述卸荷杆能进退于试样孔，岩石试样在一个竖直维度和相互垂直的两个水平维度上分别有外动力能对所述岩石试样施压。本发明岩爆诱发方法是先利用标准岩石试样确定其在各阶段应力水平的应力值，测试并记录与各阶段应力水平相应的破坏应力，用本装置对立方体岩石试样施与各阶段应力水平相应的80％‑95％破坏应力，之后迅速拔出卸荷杆，岩体发生岩爆。如此，科技人员根据室内岩爆试验结果，能够预测不同复杂应力环境下岩爆发生的力学条件，为工程岩爆灾害的治理提供原始参考依据，有效降低了岩爆科研成本，提高了岩爆灾害研究效率。

说明书

技术领域

本发明涉及深部岩石工程领域，具体为一种岩爆诱发装置及岩爆诱发方法。

背景技术

岩爆在深部岩石工程领域是一种非常复杂的灾害，常发生于具有高地应力、硬脆性岩体、大埋深且构造发育等显著特征的地下洞室开挖卸荷过程中。在地下洞室开挖过程中，由于岩体的突然开挖，导致岩体的原岩应力平衡状态被破坏，在应力状态重新调整平衡的过程中极易发生岩爆灾害。岩爆是一种具有显著突发性和剧烈性等特征的动力失稳工程灾害。地下岩石工程发生岩爆灾害可能直接损坏设备，严重威胁施工人员的生命安全，会造成重大的经济损失，阻碍正常施工，减缓施工进度。由于岩爆发生机理的复杂性，导致目前对岩爆发生机理的认识严重不足，对岩爆灾害的治理非常欠缺。深入认识岩爆发生机理是治理岩爆灾害的关键依据。目前，主要通过现场调研和监测研究岩爆发生机理，以此预测不同复杂应力环境下岩爆发生的力学条件，为工程岩爆灾害的治理提供原始参考依据。但这种方式耗费时间，并且不能重复再现，使岩爆科研成本高而效率低。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种岩爆诱发装置及岩爆诱发方法，以达到快速获取岩爆诱发主要参数，降低岩爆科研成本，提高岩爆科研效率的目的。

本发明岩爆诱发装置，包括岩爆诱发箱、立方体岩石试样、卸荷杆、所述岩爆诱发箱上具有卸荷孔、所述岩石试样上具有试样孔，所述卸荷杆能与该试样孔紧密配合并能在外力作用下进退于卸荷孔和试样孔，针对岩石试样在一个竖直维度和相互垂直的两个水平维度上分别有外动力能对所述岩石试样施压。

作为优选实施例，所述竖直维度的外动力采用单轴压缩试验机，所述岩爆诱发箱在顶部设有单轴压缩试验机的上压头进入孔，用于单轴压缩试验机的上压头能进入岩爆诱发箱内对岩石试样施压。所述立方体岩石试样的尺寸为100mm×100mm×100mm。

作为优选实施例，所述两个水平面维度的外动力均采用高压油缸。

作为优选，所述试样孔为圆柱形孔，孔深为立方体岩石试样边长尺寸的0.5倍，孔内半径为试样半边长尺寸的2/5-2/7倍。

用本发明岩爆诱发装置进行岩爆诱发的方法，包括如下步骤:

采用圆柱形标准岩石试样，峰值强度为σ；

2)确定步骤1)所述岩石试样受竖直方向压力时该岩石试样在各阶段应力水平的应力值；

3)采用立方体岩石试样，该试样边长与步骤1)中圆柱形标准岩石试样的高度相等；

4)按照步骤2)所确定的各阶段应力水平的应力值，在相互垂直的两个水平维度上同时对所述立方体岩石试样施压，每次施压分别达到步骤2)所述各阶段应力水平的应力值；

5)所述步骤4)每次施压分别达到各阶段应力值后，在竖直维度对立方体岩石试样施压直至岩石试样破坏，记录与各阶段应力水平相应的破坏应力；

6)将步骤3)所述立方体岩石试样放置于岩爆诱发箱，所述试样孔对着岩爆诱发箱上的卸荷孔，将卸荷杆穿入卸荷孔并挤入试样孔中；

7)对步骤3)所述立方体岩石试样在相互垂直的两个水平维度上施加压力分别至步骤2)所述的各阶段应力水平的应力值并保持稳定，再对该立方体岩石试样在竖直维度施加压力至步骤5)所述与各阶段应力水平相应的破坏应力的80％-95％并保持稳定，待所有施压稳定后迅速拔出卸荷杆，岩体发生岩爆。

作为优选，所述步骤2)中各阶段应力水平为弹性阶段的第一应力水平，中间阶段的第二应力水平、第三应力水平和第四应力水平，终止阶段的第五应力水平，其中第一应力水平的应力值为0.2σ，第二应力水平的应力值为0.375σ，第三应力水平的应力值为0.55σ，第四应力水平的应力值为0.725σ，第五应力水平的应力值为0.9σ，其中σ为步骤1)所述峰值强度σ。

本发明岩爆诱发装置及岩爆诱发的方法能够在实验室条件下重复再现岩爆现象，方便科研和工程人员直观认识岩爆机理，根据室内岩爆试验结果，能够预测不同复杂应力环境下岩爆发生的力学条件，为工程岩爆灾害的治理提供原始参考依据，有效降低了岩爆科研成本，提高了岩爆灾害研究效率。同时，本发明还能用于高校及科研院所的教学工作，在室内试验条件下即可观察到岩爆发生现象。

附图说明

图1是本发明提供的一种岩爆诱发装置的整体结构示意图；

图2是图1沿A-A的剖面图；

图3是图1沿B-B的剖面图；

图4是岩爆诱发箱结构示意图。

图中：岩爆诱发箱1、顶板11、底板12、前挡板13、上压头进入口14、卸荷孔15；卸荷杆2；

左侧高压油缸3、左侧高压油腔顶推压头31、左侧高压油腔注油泵32、左侧高压油管33；后侧高压油缸4、后侧高压油腔顶推压头41、后侧高压油腔注油泵42、后侧高压油管43；岩石试样5、岩石试样孔51；单轴压缩仪器的上压头I、下压盘II。

具体实施方案:

下面将结合本发明实施例提供的附图，对本发明技术方案进行具体描述。

图1-图4反映了本发明岩爆诱发装置的具体结构，从图中可以看出本发明岩爆诱发装置包括岩爆诱发箱1、顶板11、底板12、前挡板13、上压头进入口14、卸荷孔15；卸荷杆2；左侧高压油缸3、左侧高压油腔顶推压头31、左侧高压油腔注油泵32、左侧高压油管33；后侧高压油缸4、后侧高压油腔顶推压头41、后侧高压油腔注油泵42、后侧高压油管43；岩石试样5、岩石试样孔51；单轴压缩仪器的上压头I、下压盘II。

其中岩爆诱发箱1包括顶板11、底板12、前挡板13，上压头进入口14设置在顶板11上，卸荷孔15设置在前挡板13上并位于其几何中心。

岩石试样5为正立方体形状，在其前面几何中心开设有岩石试样孔51，该岩石试样孔内半径为岩石试样边长的2/5-2/7倍，在本实施例中岩石试样孔内半径为岩石试样边长的2/5，深度为岩石试样边长的0.5倍，岩石试样5放置在岩爆诱发箱1中，岩石试样孔51的内径与卸荷孔15的内径相同并对齐。

左侧高压油缸3和后侧高压油缸4均在岩爆诱发箱1内分别位于岩石试样5的左侧和后侧，左侧高压油腔顶推压头31能从左侧向岩石试样5施压，后侧高压油腔顶推压头41能从后侧对岩石试样5施压，

左侧高压油腔注油泵32经左侧高压油管33向左侧高压油缸3提供动力油，后侧高压油腔注油泵42经后侧高压油管43向后侧高压油缸4提供动力油。

将岩爆诱发箱1放置到单轴压缩仪器上，岩爆诱发箱1的底板12坐落在单轴压缩仪器的下压盘II上，单轴压缩仪器的上压头I从岩爆诱发箱1上压头进入口14进入岩爆诱发箱1内，用于对岩石试样5施加竖直维度压力。

岩爆诱发前先将卸荷杆2挤入卸荷孔15和岩石试样孔51中，再实施岩爆诱发。

岩爆诱发的方法如下：

第一步、开展岩石单轴压缩力学测试。采用的岩石为标准尺寸岩石试样，尺寸为高度100mm、直径为50mm的圆柱体岩石试样。单轴压缩条件下岩石试样的峰值强度为σ，确定岩石在单轴压缩条件下的弹性阶段起始应力水平0.2σ和终止应力水平0.9σ，将起始应力水平确定为第一应力水平，终止应力水平确定为第五应力水平，中间段等应力梯度分别确定为第二、第三和第四应力水平，即第一应力水平为0.2σ，第二应力水平为0.375σ，第三应力水平为0.55σ，第四应力水平为0.725σ，第五应力水平为0.9σ；

第二步：开展真三轴岩石力学测试。规定：上下加载方向为第一主应力加载方向，左右加载方向为第二主应力加载方向，前后加载方向为第三主应力加载方向，且第二主应力与第三主应力相同。将用于开展真三轴岩石力学测试的岩石试样放置于岩石真三轴压力试验机的压缩台上。真三轴岩石力学测试中采用的岩石试样尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试样。根据单轴压缩条件下岩石弹性阶段的五个应力水平的应力值，通过岩石真三轴压力试验机向岩石试样施加第二主应力和第三主应力，每次施加的第二主应力和第三主应力的大小等于单轴压缩条件下岩石弹性阶段的五个应力水平的应力值，然后施加第一主应力直至岩石试样破坏，记录五个应力水平下岩石试样在岩石真三轴压力试验机三轴压缩条件下的破坏应力，分别记为σ

第三步：开展岩爆诱发试验。将本发明岩爆诱发装置的岩爆诱发箱1放置于岩石单轴压缩试验台上，将提前准备好的岩石试样尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体岩石试样5装进岩爆诱发箱1中，将单轴压缩仪器的上压头I送入岩爆诱发箱顶板上的上压头进入口14，调整岩爆诱发箱1的垂直中心线与单轴压缩试验机的上压头I和下压盘II的垂直中心线尽量重合。通过左侧高压油管33将左侧高压油缸3与左侧高压油腔注油泵32连接，后侧高压油管43将后侧高压油缸4与后侧高压油腔注油泵42连接。

将卸荷杆2通过岩爆诱发箱前挡板上的卸荷孔15挤入岩石试样上的岩石试样孔51中。根据第一步确定的五个应力水平的应力值，即第一应力水平0.2σ，第二应力水平0.375σ，第三应力水平0.55σ，第四应力水平0.725σ，第五应力水平0.9σ，通过左侧高压油腔注油泵32和后侧高压油腔注油泵42分别向左侧高压油缸3及后侧高压油缸4中送入液压油，使左侧高压油腔顶推压头31和后侧高压油腔顶推压头41分别向岩石试样方向移动并逐渐挤压岩石试样，岩石试样上保持第一应力水平0.2σ稳定，将第一主应力施加至第一应力水平0.2σ对应岩石试样的破坏应力的0.8-0.95σtri1并保持稳定，由于岩石种类不同，压密、弹性、塑性和破坏阶段的应力水平不同，当应力水平达到峰值应力/破坏应力的80％时，岩石进入了塑性阶段，此状态下，岩石储存的应变能达到极限状态，在极限状态下对其进行卸荷有较大发生岩爆的倾向，在本实施例中选择0.9σtri1。待第一、第二和第三主应力完全稳定后通过拉拔机快速拔出卸荷杆2。在岩爆诱发箱1的聚能作用下，岩石单轴压缩试验机和两油缸做的功在很大程度上储存在岩石试样5中。当卸荷杆2被瞬间拔出后，储存在岩石试样5中的能量快速释放，导致岩石试样孔51内的围岩发生岩爆现象。

第四步：对于第二应力水平为0.375σ，第三应力水平为0.55σ，第四应力水平为0.725σ，第五应力水平为0.9σ，重复步骤三，然后将第一主应力分别施加至第二应力水平为0.375σ、第三应力水平为0.55σ、第四应力水平为0.725σ、第五应力水平为0.9σ对应岩石试样的破坏应力的0.8-0.95σ

第五步：岩爆诱发完毕。

从以上实施方式可以看出，本发明能够在实验室条件下重复再现岩爆现象，使科研和工程人员非常方便直观认识岩爆机理，根据室内岩爆试验结果，快速获取岩爆诱发主要参数，由此预测不同复杂应力环境下岩爆发生的力学条件，为工程岩爆灾害的治理提供原始参考依据。同时，本发明还能用于高校及科研院所的教学工作，在室内试验条件下即可观察到岩爆发生现象。