[发明专利]模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置及方法

权利要求书

1.模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，试验装置包括电机（6），钻杆（5）设于电机（6）侧端中间位置，钻杆（5）上设有密封控制阀（4），密封控制阀（4）内部设有管道（17），管道（17）一端与降温注液孔（2）相连，管道（17）另一端与液氮瓶（13）相连，注液控制开关（3）设于管道（17）上，钻孔取芯钻头（1）一端与钻杆（5）相连接，降温注液孔（2）设置在该端，钻孔取芯钻头（1）另一端与岩石试样（16）相接触，钻孔取芯钻头（1）内部是一个空腔体，电机（6）下端四个角分别置于可伸缩支座（15）上方，可伸缩支座（15）分别与四个滑块（7）相连，滑块（7）置于水平的导轨（12）上，滑块（7）与连接杆（8）相连，齿条（9）与连接杆（8）的中间部位相连，轴承（14）固定于导轨（12）的外侧，转动连接杆（18）穿过轴承（14）和齿轮（10），齿轮（10）与齿条（9）相啮合，转动连接杆（18）的一端与变速电机（11）连接，加载室由垂直上侧加载块（19）、垂直下侧加载块（20）、水平左侧加载块（21）、水平右侧加载块（22）和水平后侧加载块（23）组成，岩石试样（16）置于加载室中；

然后按照以下步骤进行：

步骤一、固定岩石试样（16）：将加工好的正方形岩石试样（16）放在试验机由垂直上侧加载块（19）、垂直下侧加载块（20）、水平左侧加载块（21）、水平右侧加载块（22）组成的加载室中，通过试验机的控制系统在垂直方向施加一个较小的力，然后在水平方向加载，从而固定岩石试样（16），力的大小等于垂直方向的力，试验机为TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机，垂直方向即为试验机Z方向，水平方向即试验机X方向和Y方向；

步骤二、对岩石试样（16）进行二维加载：岩石试样（16）固定在试验机上后，同时以相同的加载速率将垂直方向的应力σ_v和水平方向的应力σ_h加载至设定深度处的二维应力水平，能模拟不同深度的应力环境，同时通过检测系统及数据采集系统，对不同应力进行记载；

步骤三、安装开挖卸荷试验装置：对岩石试样（16）进行二维加载后，将开挖卸荷装置固定在岩石试样（16）未受力的一侧，即试验机X方向，选取合适直径的钻孔取芯钻头（1），并与钻杆（5）螺纹连接，调整圆形巷道开挖卸荷试验装置的高度，使钻孔取芯钻头（1）的轴线与岩石试样（16）中心轴线位于同一条直线上，另外在岩石试样的后侧固定水平后侧加载块（23），以防在钻孔的过程中岩石试样（16）产生水平滑动而影响试验的进程；

步骤四、模拟圆形巷道开挖钻孔：开挖卸荷试验装置安装完成后，预先打开注液控制开关（3）通过降温注液孔（2）向钻孔取芯钻头（1）中注入一定量的液氮，钻孔取芯钻头（1）、降温注液孔（2）、注液控制开关（3）、密封控制阀（4）、钻杆（5）、电机（6）、滑块（7）、连接杆（8）和齿条（9）组成行走推进系统，打开变速电机（11），通过齿轮（10）转动带动齿条（9）移动，使行走推进系统移动，电机（6）通过钻杆（5）带动钻孔取芯钻头（1）转动，到整个岩石试样（16）完全贯通时，关闭注液控制开关（3）停止注入液氮，然后反方向转动变速电机（11），使钻孔取芯钻头（1）完全退出岩石试样（16），关闭电机（6），模拟巷道开挖钻孔过程结束；

步骤五、数据分析与处理：在临空面一侧安装摄像机，用于监控孔洞内洞壁围岩的破坏过程，继续增加垂直应力σ_v，此时增加垂直应力是为了模拟巷道的应力调整过程，通过摄像机及声发射系统详细记录洞壁的破坏过程。

2.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，所述可伸缩支座（15）能够伸长和缩短，每一节伸长或缩短2.5cm。

3.根据权利要求1所述的模拟二维加载液氮降温巷道开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，所述钻孔取芯钻头（1）与钻杆（5）螺纹连接。