CN112857969A - 一种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法，采用包括围压加载单元、冲击凿钻单元、支撑单元、数据采集单元和激光测速仪的实验***，圆柱形的岩石试样安装于围压加载单元内，冲击凿钻单元有间距的对中设置于的轴向一端，支撑单元紧贴对中设置于试样的轴向另一端；通过围压加载单元对试样施加可控的环向静水围压；通过冲击凿钻单元给岩石试样一端表面的中心位置处施加冲击能量；通过激光测速仪获得冲击能量数据，通过数据采集单元采集应变数据；根据一维应力波理论计算不同静水围压条件下岩石试样的临界破坏载荷，根据临界破坏载荷、岩石试样表面凿入深度及岩石试样的碎片平均块度来评估高应力岩体的可截割性和钻头的破岩效果。
Description
技术领域
本发明属于岩石破碎性能测试领域，特别是涉及一种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法。
背景技术
随着人类社会的高速发展，对资源和空间的需求与日俱增，许多岩石工程不可避免地走向地球深部，如采矿、隧道、水利、国防工程、核废料封存等。岩石的破碎开挖是以上工程建造的基础。
在相当长的时期内，钻爆法是最常见的破岩方法，但由于钻爆法具有作业危险、超挖欠挖难控制、能量利用率低、衍生破坏大等缺陷，与现代行业要求的安全高效绿色原则相悖。同时，由于深部岩石受到高地应力作用，***易造成岩爆、突水、大范围塌方等工程灾害，造成大量的人员伤亡和经济损失。因此，为实现深部岩石安全高效破碎，以适应国民经济高速健康发展的要求，必须突破以钻爆法破岩为主的传统格局。
近年来，随着制造业的飞速发展，涌现出了许多建立在机械破岩基础上的非爆连续开挖方法及装置，如悬臂式掘进机、滚筒破岩机、全断面掘进机等，并已在浅部隧道、煤矿等工程中得到了广泛地应用。实践表明，相较于钻爆法开挖，机械开挖具有安全性高、生产效率高、作业环境好、劳动强度低等优势。但对于深地硬岩工程，由于其岩体所具有的高强度、高硬度、高完整性、高磨蚀性等特征，使得钻头磨损严重、甚至出现卡钻卡机的现象，极大增加了钻凿成本。同时，由于深部岩体的高地应力赋存环境，相当于给工作面岩体施加了围压作用，使得岩石的破碎更为困难。此外，机械凿岩所引起的局部动态扰动，甚至可能诱发岩爆等动力破坏。因此，为解决上述机械破岩在深部硬岩工程应用中的诸多问题，亟需在揭示高应力岩体机械冲凿破碎特征的基础上，设计出合理的钻凿机具。
目前，国内外关于岩石机械截割破碎的研究主要侧重于各类钻凿机具在静态加载条件下岩石的破碎特征，如“CN200680042510.9用于岩石钻凿作业的方法和装置”、“CN200910118933.X PDC钻凿特性测定试验装置”等。但此类装置中，未考虑动力冲击的作用，亦未考虑深部工作面岩体的高应力状态对钻凿效果和钻头磨损的影响。
部分实验装置在综合考虑初始地应力和凿岩扰动方面进行了初步地尝试，如“CN201210453765.1一种高应力岩石钻凿试验装置”等，但动力扰动幅值与实际冲击凿岩相比明显偏低。大量实验、理论研究和工程实践都表明，由于高应力伴生的高能量，深部岩体其动力响应规律和破碎特征与浅部低应力或无应力岩体截然不同。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种给岩石试样加载初始静水围压的同时进行冲击钻凿的方法，模拟深部岩体开采时的真实凿钻工况，获得不同初始静水围压和动态冲凿条件下岩石材料的破坏特征。
本发明提供的这种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法，采用包括围压加载单元、冲击凿钻单元、支撑单元、数据采集单元和激光测速仪的实验***，圆柱形的岩石试样安装于围压加载单元内，冲击凿钻单元有间距的对中设置于的轴向一端，支撑单元紧贴对中设置于试样的轴向另一端；通过围压加载单元对试样施加可控的环向静水围压；通过冲击凿钻单元给岩石试样一端表面的中心位置处施加冲击能量；通过激光测速仪获得冲击能量数据，通过数据采集单元采集应变数据；根据一维应力波理论计算不同静水围压条件下岩石试样的临界破坏载荷，根据临界破坏载荷、岩石试样表面凿入深度及岩石试样的碎片平均块度来评估高应力岩体的可截割性和钻头的破岩效果。
上述方法的一种实施方式中，所述围压加载单元包括有轴向中心孔和环形油槽的刚性圆柱体，刚性圆柱体的材质为高强度合金，环形油槽对应于轴向中心孔的中部***，环形油槽与轴向中心孔相交处设置有隔油橡胶套，试样过盈安装于隔油橡胶套内。
上述方法的一种实施方式中，所述环形油槽连接有进油管路和出油管路，进油管路和出油管路连接至油泵，进油管路和出油管路上分别连接有电磁阀。
上述方法的一种实施方式中，所述冲击凿钻单元包括动力发生装置、入射钎杆和钻头，入射钎杆和钻头之间通过紧固件可拆卸连接，动力发生装置给入射钎杆施加动荷载。
上述方法的一种实施方式中，所述支撑单元包括透射杆和阻尼器，阻尼器连接于透射杆的外端，透射杆的内端与岩石试样的端面紧密接触。
上述方法的一种实施方式中，所述数据采集单元包括动态应变片、惠斯通电桥、超动态应变仪、示波器和计算机***，动态应变片分别粘贴于所述入射钎杆和透射杆的中部，通过惠斯通电桥与动态应变仪相连，动态应变仪、示波器和计算机***通过数据线连接，保证应变数据的显示与存储。
上述方法的一种实施方式中，所述入射钎杆和钻头的材质为相同的高强度金属材料，以免在交界面发生折反射。
上述方法的一种实施方式中，所述试样的直径与所述刚性圆柱体的轴向中心孔直径相同，透射杆的直径与岩石试样的直径相同。
上述方法的一种实施方式中，岩石试样破碎测试包括以下步骤：
(1)将岩石试样过盈安装于刚性圆柱体内的隔油橡胶套内；
(2)在岩石试样的轴向两端分别设置入射钎杆与钻头整体件、透射杆与阻尼器整体件，并使透射杆与岩石试样的一端紧密接触，钻头与岩石试样之间有指定的间距；
(3)分别在透射杆和入射钎杆的中部粘贴动态应变片，并通过惠斯通电桥与动态应变仪、示波器相连；
(4)调整入射钎杆、钻头和透射杆位置，保证它们与岩石试样共轴线；
(5)油泵工作，往刚性圆柱体内的环形油槽注油给岩石试样施加环向静水围压至指定值；
(6)静置5-10分钟，使试验***稳定下来；
(7)动力发生装置工作给入射钎杆施加动荷载，使钻头冲击岩石试样，同时通过激光测速仪测定钻头冲击岩石试样表面的瞬时速度；
(8)通过计算机***保存示波器记录的应力波形；
(9)重复步骤(1)-(8)，逐步增加钻头对岩石试样的冲击能量，使岩石试样最终破碎；
(10)重复步骤(1)-(9)，改变岩石试样的静水围压，使岩石试样最终破碎；
(11)根据一维应力波理论计算各静水围压条件下岩石的临界破坏载荷。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(11)中，根据一维应力波原理，利用钎杆的弹模EI和横截面积AI，按下式计算得到岩石的动态冲凿力F的变化过程：
F(t)＝EIAI[εI(t)+εR(t)]。
本发明将岩石试样固定于围压加载单元内，且一端通过支撑单元支撑，模拟深部岩体开采前的实际情形。围压加载单元可给岩石试样施加可控的环向静水围压，同时通过冲击凿钻单元给岩石试样施加轴向凿岩冲击动荷载，通过数据采集单元采用应变数据。由于围压加载单元给岩石试样施加的环向静水围压可控，可实现不同工况下岩石试样的应力状态的设定，所以根据一维应力波理论计算各静水围压条件下岩石的临界破坏载荷。高应力岩体的可截割性和钻头的破岩效果可通过临界荷载、钻头凿入深入、碎片平均块度等参数进行综合评估，获得其冲击破碎特性、钻凿性能和钻具磨损参数，所以还可通过这些参数设计选取最优钻头形式。从而揭示深部高应力岩体冲凿特性、破岩效率、钻头磨损特征、卡钻等原因。
附图说明
图1为本发明一个实施例的***组装示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法中应用的实验***，包括动力发生装置1、入射钎杆2、动态应变片3、钻头4、激光测速仪5、刚性圆柱体6、岩石试样7、透射杆8、阻尼器9、惠斯通电桥10、超动态应变仪11、示波器12、计算机***13。
刚性圆柱体6采用高强度合金制作而成，其内有轴向中心孔和环形油槽，环形油槽对应于轴向中心孔的中部***，环形油槽与轴向中心孔相交处设置有隔油橡胶套，试样安装于隔油橡胶套内。
本实施例通过油泵给环形油槽内注入液压油，所以环形油槽需连接进油管路和出油管路，而且进油管路和出油管路上均需连接电磁阀来实现油路的通断。油泵和进油管路及出油管路在图中均未表示出来。
油泵可给环形油槽内的液压油提供0-200MPa的压力。
本实施例的岩石试样为圆柱形试样，其直径为75mm，长径比取值范围为0.5-1.0。
岩石试样7安装于刚性圆柱体的轴向中心孔中，通过环形油槽内的液压油给其施加环向静压力。
本实施例刚性圆柱体6的轴向中心孔直径也设计为75mm，环形油槽的长度与岩石试样的长度对应。
刚性圆柱体6固定于刚性基座上，将岩石试样7过盈安装于刚性圆柱体的轴向中心孔中对应环形油槽处，且使岩石试样与轴向中心孔共轴线。通过隔油橡胶套将岩石试样与液压油隔离开来，防止实验过程中油压发生变化，同时避免液压油对实验结果产生影响。
透射杆8的直径也设计为75mm，其内端过盈***刚性圆柱体6上轴向中心孔的后端段，与岩石试样7的后端面紧密接触，外端连接于阻尼器9上，通过阻尼器支撑。注意保证透射杆8与岩石试样7共轴线。
钻头4通过螺钉连接于入射钎杆2的一端，两者共轴线。
入射钎杆2和钻头4的装配件与岩石试样7共轴线布置于刚性圆柱体的前端，钻头与刚性圆柱体之间有一定的距离。
入射钎杆2的外侧布置动力发生装置1，动力发生装置1可通过冲头或者摆锤给入射钎杆施加动荷载，也可通过电磁脉冲的方式给入射钎杆施加动荷载。
本实施例采用冲头给入射钎杆施加动荷载，所以冲头需保证与入射枪杆共轴线布置。
总之，冲头、入射钎杆2、钻头4、岩石试样7和透射杆8共轴线布置。
入射钎杆2和钻头4选用相同的高强度合金材料制作，避免在两者的交界处发生折反射，同时两者之间通过螺钉连接紧固，保证加载过程中两者保持完全接触。
岩石试样7的环向通过液压油施加静水围压，后端通过透射杆和阻尼器顶住，只留前端为凿岩面。即岩石试样7的这种固定方式真实模拟了深部岩体开采前的情形。
动态应变片3分别粘贴在入射钎杆1和透射杆8的中间位置处，通过惠斯通电桥10与动态应变仪11相连，动态应变仪11与示波器12之间、示波器12与计算机***13之间分别通过数据线连接。
本实验***的刚性圆柱体6和油泵及进、出油管路组成本实施例的围压加载单元，动力装置1、入射钎杆2和钻头4组成冲击凿钻单元，透射杆和阻尼器组成支撑单元，动态应变片3、惠斯通电桥10、超动态应变仪11、示波器12和计算机***13组成数据采集单元。
本实验***通过围压加载单元模拟实际工程中深部高应力岩体受到的静态荷载、冲击凿钻单元提供机械破岩机具造成的凿岩动荷载、数据采集单元监测并记录实验信号并显示分析。
本实验***还需配备激光测速仪来测定钻头冲击岩石试样表面的瞬时速度，从而获得冲击凿钻单元给岩石试样的冲击能量数据，以计算得到岩石试样的动态冲凿力F的变化过程，最终得出岩石试样在静水围压条件下的临界破坏荷载。
***组装好后对岩石试样进行破碎特性测试的步骤如下：
(1)确保入射钎杆2、钻头4、岩石试样7、透射杆8处在同心轴线上；
(2)通过油泵按照实验设计要求，往刚性圆柱体内的环形油槽中缓慢注入液压油，通过液压油给岩石试样施加环向静水围压至指定值，具体的围压数据可通过油泵上的压力表准确测定；
(3)待环向静水围压加载完成后，静置实验***使之趋于稳定状态；
(4)触发动力发生装置1给入射钎杆施加动荷载，在入射钎杆中形成入射波，驱动入射钎杆和钻头以较高速度撞击岩石表面；
(5)利用激光测速仪5在刚性圆柱体6的前侧测定钻头冲击岩石表面的瞬时速度，通过瞬时速度可计算出冲击能量；
(6)通过动态应变片3和动态应变仪11可获得实验过程中的杆件应变信息，并通过示波器12和计算机***13对测试数据进行显示和存储；
(7)重复步骤(1)-(6)，并逐步增加冲击能量，使岩石试样从不发生破碎到破碎过渡；
(8)改变岩石试样的静水围压后重复步骤(1)-(7)；
(9)根据一维应力波原理，利用入射波εI(t)、反射波εR(t)、入射钎杆的弹模EI和横截面积AI，按下式计算得到岩石的动态冲凿力F的变化过程：
F(t)＝EIAI[εI(t)+εR(t)]
从而得出动力加载峰值力，即岩石试样从不破碎到破碎状态的临界荷载。
而高应力岩体的可截割性和钻头的破岩效果可通过临界荷载、钻头凿入深入、碎片平均块度等参数进行综合评估。可通过以上参数设计选取最优钻头形式。
所以通过本发明可揭示深部高应力岩体冲凿特性、破岩效率、钻头磨损特征、卡钻等原因。
Claims (10)
1.一种深部高应力岩石机械破碎特性测试方法，其特征在于：
本方法采用包括围压加载单元、冲击凿钻单元、支撑单元、数据采集单元和激光测速仪的实验***，圆柱形的岩石试样安装于围压加载单元内，冲击凿钻单元有间距的对中设置于的轴向一端，支撑单元紧贴对中设置于试样的轴向另一端；
通过围压加载单元对试样施加可控的环向静水围压；通过冲击凿钻单元给岩石试样一端表面的中心位置处施加冲击能量；通过激光测速仪获得冲击能量数据，通过数据采集单元采集应变数据；
根据一维应力波理论计算不同静水围压条件下岩石试样的临界破坏载荷，根据临界破坏载荷、岩石试样表面凿入深度及岩石试样的碎片平均块度来评估高应力岩体的可截割性和钻头的破岩效果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述围压加载单元包括有轴向中心孔和环形油槽的刚性圆柱体，刚性圆柱体的材质为高强度合金，环形油槽对应于轴向中心孔的中部***，环形油槽与轴向中心孔相交处设置有隔油橡胶套，试样过盈安装于隔油橡胶套内。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述环形油槽连接有进油管路和出油管路，进油管路和出油管路连接至油泵，进油管路和出油管路上分别连接有电磁阀。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述冲击凿钻单元包括动力发生装置、入射钎杆和钻头，入射钎杆和钻头之间通过紧固件可拆卸连接，动力发生装置给入射钎杆施加动荷载。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述支撑单元包括透射杆和阻尼器，阻尼器连接于透射杆的外端，透射杆的内端与岩石试样的端面紧密接触。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述数据采集单元包括动态应变片、惠斯通电桥、超动态应变仪、示波器和计算机***，动态应变片分别粘贴于所述入射钎杆和透射杆的中部，通过惠斯通电桥与动态应变仪相连，动态应变仪、示波器和计算机***通分别过数据线连接，保证应变数据的显示与存储。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述入射钎杆和钻头的材质为相同的高强度金属材料，以免在交界面发生折反射。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述岩石试样的直径与所述刚性圆柱体的轴向中心孔直径相同，透射杆的直径与岩石试样的直径相同。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于岩石试样破碎测试包括以下步骤：
(1)将岩石试样过盈安装于刚性圆柱体内的隔油橡胶套内；
(2)在岩石试样的轴向两端分别设置入射钎杆与钻头整体件、透射杆与阻尼器整体件，并使透射杆与岩石试样的一端紧密接触，钻头与岩石试样之间有指定的间距；
(3)分别在透射杆和入射钎杆的中部粘贴动态应变片，并通过惠斯通电桥与动态应变仪、示波器相连；
(4)调整入射钎杆、钻头和透射杆位置，保证它们与岩石试样共轴线；
(5)油泵工作，往刚性圆柱体内的环形油槽注油给岩石试样施加环向静水围压至指定值；
(6)静置5-10分钟，使试验***稳定下来；
(7)动力发生装置工作给入射钎杆施加动荷载，使钻头冲击岩石试样，同时通过激光测速仪测定钻头冲击岩石试样表面的瞬时速度；
(8)通过计算机***保存示波器记录的应力波形；
(9)重复步骤(1)-(8)，逐步增加钻头对岩石试样的冲击能量，使岩石试样最终破碎；
(10)重复步骤(1)-(9)，改变岩石试样的静水围压，使岩石试样最终破碎；
(11)根据一维应力波理论计算各静水围压条件下岩石的临界破坏载荷。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(11)中，根据一维应力波原理，利用钎杆的弹模EI和横截面积AI，按下式计算得到岩石的动态冲凿力F的变化过程：
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