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原文传递岩爆模拟试验装备与方法

专利名称：	岩爆模拟试验装备与方法
摘要：	本发明提供了一种岩爆模拟试验装备与方法，属于岩爆试验技术领域。该岩爆模拟试验装备包括加载装置、至少一个自动开挖成巷装置、监控设备以及控制台。加载装置包括X轴方向加载机构、Y轴方向加载机构以及Z轴方向加载机构，X轴方向加载机构、Y轴方向加载机构以及Z轴方向加载机构均设置有载荷传感器和位移传感器。自动开挖成巷装置包括设置于加载装置上的开挖驱动主体、与开挖驱动主体传动连接的连接组件以及安装于连接组件上的钻具，通过钻具对岩石试件开挖模拟开挖过程。监控设备用于实时监测岩石试件的加载、卸载以及开挖的状态。控制台包括控制器和显示器，其中，控制器电连接加载装置、开挖成巷装置、高速摄像系统以及显示器。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国矿业大学(北京)
发明人：	王琦;何满潮;吴文瑞;江贝;高红科
专利状态：	有效
申请日期：	2022-11-11T00:00:00+0800
发布日期：	2022-12-09T00:00:00+0800
申请号：	CN202211411820.0
公开号：	CN115452599A
代理机构：	北京中北知识产权代理有限公司
代理人：	宋波
分类号：	G01N3/12;G01N33/24;G01M99/00;G01N19/00;G;G01;G01N;G01M;G01N3;G01N33;G01M99;G01N19;G01N3/12;G01N33/24;G01M99/00;G01N19/00
申请人地址：	100083 北京市海淀区学院路丁11号
主权项：	1.一种岩爆模拟试验装备，其特征在于，包括：加载装置（1），包括X轴方向加载机构（11）、Y轴方向加载机构（12）以及Z轴方向加载机构（13），所述X轴方向加载机构（11）与所述Y轴方向加载机构（12）的加载方向相垂直且均为水平方向，所述Z轴方向加载机构（13）的加载方向为竖直方向，所述X轴方向加载机构（11）、Y轴方向加载机构（12）以及Z轴方向加载机构（13）均设置有载荷传感器和位移传感器，以监测岩石试件所受载荷和加载机构的位移，至少一个自动开挖成巷装置（2），包括设置于所述加载装置（1）上的开挖驱动主体（21）、与所述开挖驱动主体（21）传动连接的连接组件（22）以及安装于所述连接组件（22）上的钻具，通过所述钻具对岩石试件开挖模拟巷道开挖过程，监控设备（3），包括高速摄像系统，用于实时监测岩石试件的加载、卸载以及开挖的状态，以及控制台（4），包括控制器和显示器，其中，所述控制器电连接所述X轴方向加载机构（11）、所述Y轴方向加载机构（12）、所述Z轴方向加载机构（13）、所述载荷传感器、所述位移传感器、所述开挖成巷装置（2）、所述高速摄像系统以及所述显示器。 2.根据权利要求1所述的岩爆模拟试验装备，其特征在于，所述连接组件（22）包括与所述开挖驱动主体（21）连接的锁紧装置（221）、与所述锁紧装置（221）连接的伸缩杆（222）以及与所述伸缩杆（222）连接的钻具连接装置（223），所述钻具安装于所述钻具连接装置（223）上。 3.根据权利要求2所述的岩爆模拟试验装备，其特征在于，所述自动开挖成巷装置（2）还包括可滑动安装于所述加载装置（1）上的滑动支架（23），所述开挖驱动主体（21）安装于所述滑动支架（23）上。 4.根据权利要求1所述的岩爆模拟试验装备，其特征在于，所述监控设备（3）还包括热红外仪器，所述热红外仪器与所述控制器电连接。 5.根据权利要求4所述的岩爆模拟试验装备，其特征在于，所述监控设备（3）还包括声发射仪器，所述声发射仪器与所述控制器电连接。 6.根据权利要求1所述的岩爆模拟试验装备，其特征在于，所述X轴方向加载机构（11）包括第一加载部（111）以及与所述第一加载部（111）相对设置的第二加载部（112），所述Y轴方向加载机构（12）包括第三加载部（121）以及与所述第三加载部（121）相对设置的第四加载部（122），所述Z轴方向加载机构（13）包括第五加载部（131）以及与所述第五加载部（131）相对设置的第六加载部（132）。 7.一种采用权利要求1-6中任一项所述的岩爆模拟试验装备的试验方法，包括：按照岩石力学试验标准对岩石样品加工成岩石试件；将岩石试件放置在加载装置（1）的操作台上，根据设计的应力水平通过X轴方向加载机构（11）、Y轴方向加载机构（12）和Z轴方向加载机构（13）将岩石试件分级加载至岩体原始位置的地应力状态，并保载预设时间； X轴方向加载机构（11）、Y轴方向加载机构（12）和Z轴方向加载机构（13）上的载荷传感器和位移传感器实时监测载荷数据和位移数据，并将载荷数据和位移数据传输给控制器，高速摄像系统、声发射仪器以及热红外仪器实时监测岩石试件的状态，并转传输给控制器，显示器实时显示载荷数据、位移数据、声发射数据、热红外数据以及图像状态，保载预设时间结束后，卸载X轴方向加载机构（11）作用于岩石试件上的水平应力，保持Y轴方向加载机构（12）作用于岩石试件上的水平应力不变，观察是否有岩爆现象发生，如果岩爆现象发生，则试验结束；若岩爆现象没有发生，则进行第一种试验方案、第二种试验方案、第三种试验方案、第四种试验方案中的任一种，第一种试验方案包括：通过自动开挖成巷装置（2）对岩石试件进行开挖，巷道开挖卸荷完成后，保载预设时间，以进行应力调整，继续保持Y轴方向加载机构（12）作用于岩石试件上的水平应力不变，观察是否有岩爆现象发生，如果岩爆现象发生，则第一种试验方案结束，如果岩爆现象没有发生，则Z轴方向加载机构（13）对岩石试件进行竖直方向的应力加载及扰动载荷，直至岩爆现象发生，则第一种试验方案结束；第二种试验方案包括：重新设计初始地应力水平进行岩爆模拟试验，直至卸载X轴方向加载机构（11）后岩爆现象发生，则第二种试验方案结束；第三种试验方案包括：Z轴方向加载机构（13）对岩石试件进行竖直方向的应力加载及扰动载荷，直至岩爆现象发生，则第三种试验方案结束；第四种试验方案包括：将岩石试件恢复至卸载前应力状态，并按预设比例先增加任意方向应力，保载预设时间后卸载，观察是否岩爆现象发生，如果岩爆现象发生，则第四种试验方案结束，如果岩爆现象没有发生，则再次按预设比例先增加任意方向应力，往复循环，直至岩爆现象发生，则第四种试验方案结束。 8.根据权利要求7所述的试验方法，在所述第一种试验方案中，所述Z轴方向加载机构（13）对岩石试件进行竖直方向的加载分为第一加载模式和第二加载模式，第一加载模式为：以预设速率增加竖直方向应力，模拟深部岩体开挖后的切向应力集中，直至岩爆现象发生，则第一种试验方案结束；第二加载模式为：在竖直方向施加多个扰动波，如果岩爆没有发生，则在竖直方向以预设速率继续增加相同应力间隔后再施加多个扰动波，往复循环，直至岩爆现象发生，则第一种试验方案结束。 9.根据权利要求7所述的试验方法，在所述第三种试验方案中，所述Z轴方向加载机构（13）对岩石试件进行竖直方向的加载分为第三加载模式和第四加载模式，第三加载模式为：以预设速率增加竖直方向应力，直至岩爆现象发生，则第三种试验方案结束；第四加载模式为：以预设速率增加相同应力间隔后再施加多个扰动波，往复循环，直至岩爆现象发生，则第三种试验方案结束。 10.根据权利要求7所述的试验方法，在所述第一种试验方案和所述第三种试验方案中，所述扰动载荷包括：斜坡波形信号、正弦波形信号、三角波形信号、锯齿波形信号或者其组合叠加，控制器通过预设的波形信号控制Z轴方向加载机构（13）冲击扰动岩石试件。