[发明专利]模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于地下工程开挖技术领域，涉及一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法。

背景技术

随着矿山、隧道和地下厂房施工的迅猛发展，由于开采深度的增加，面临的地质条件日趋复杂，地下工程中开挖卸荷引起巷道围岩产生岩爆、挤压大变形和分区破裂化等工程问题引起了国内外学者的广泛关注，成为岩石力学领域研究的热点和难点。在地下工程施工过程中，开挖卸荷实际上是岩体在开挖面的应力得到释放，打破了原有的力学平衡状态，使岩体进行应力调整，产生新的变形。在岩石力学中，主要通过理论分析、室内模型试验和数值模拟三种方法研究地下施工过程的开挖卸荷对巷道围岩稳定性及破坏的影响，室内模型试验主要有两种方式模拟开挖卸荷：先开挖后加载和先加载后开挖。目前，多采用先开挖后加载的室内试验方法来模拟洞壁的破坏过程，但是先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合，因此为了更好的研究巷道围岩的破坏及力学性质，先加载后开挖的试验方法更接近实际工程。

国内关于地下工程开挖卸荷方面的专利，如申请号为201610220535.9，发明名称为“一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置”，公开日：2016年8月17日，公开了一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，该专利通过对含预制孔洞的试样孔内加压，然后卸载孔内压力的方法模拟开挖卸荷，整个试验过程为试样开孔→加载→孔内加压→孔内缷压，无法实现先加载后开挖的试验过程。申请号为201610551010.3，发明名称为“巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法”，公开日：2016年9月7日，公开了一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法，该专利在预制巷道内通过下承压板、上承压板和侧承压板对巷道施加孔内压力，然后卸荷的过程模拟巷道的开挖卸荷，该方法属于先开挖后加载，与工程实践中的开挖卸荷过程不同。申请号为201510228942.X，发明名称为“适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置”，公开日：2015年8月12日，公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，该专利对模型试验中的硐室围岩开挖卸荷全过程进行动态模拟，未涉及岩石试样先加载后开挖的试验过程。申请号为201610028031.7，发明名称为“模拟井巷开挖卸荷的试验方法”，公开日：2016年6月15日，公开了一种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，该专利的试验方法对井巷围岩的逐步、快速卸荷进行真实模拟，体现不同巷道断面形状对围岩变形、裂纹产生及发展的影响，该方法属于先开孔后加载，孔内加卸荷的试验，与现场的施工方式(岩体受力条件下开挖卸荷)不同。

上述专利均没有介绍先加载后开挖的试验方法，来使试验方法更吻合施工前处的应力环境。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置及方法，解决了先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合的问题，可以实现先加载后开挖的模拟试验，实现了自动排出钻孔过程中的岩石碎屑，并且可以控制巷道开挖卸荷的速率。

本发明所采用的技术方案是，模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置包括钻头与螺旋钻杆相连，螺旋钻杆上设有螺旋通道和注液通道，螺旋钻杆置于电机侧端中间位置，电机下端四个角分别置于可伸缩支座上方，可伸缩支座分别与四个滑块相连，滑块置于水平导轨上，滑块与连接杆相连，齿条与连接杆的中间部位相连，轴承与导轨相连，齿轮连接杆穿过轴承，齿轮连接杆上焊有齿轮，齿轮与齿条相啮合，齿轮连接杆与变速电机连接，加载室由垂直上侧加载块、垂直下侧加载块、水平左侧加载块、水平右侧加载块和水平后侧加载块组成，岩石试样置于加载室中。

进一步的，所述钻头、螺旋钻杆、电机、滑块、连接杆和齿条组成行走推进系统。

进一步的，所述钻头与螺旋钻杆螺纹连接。

进一步的，所述可伸缩支座能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短25mm。

进一步的，所述电机型号为YM-118D，变速电机型号为7IK400R-C2F-GH。

本发明所采用的另一技术方案是，模拟二维加载液氮降温机械开挖卸荷的试验装置的试验方法，按照以下步骤进行：