巖石應力松弛試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]巖石應力松弛試驗裝置及試驗方法，屬于礦業和巖土工程的試驗檢測監測技術領域。
【背景技術】
[0002]礦山井下存在圍巖片幫、頂板冒落、突水及巖爆動力災害等危險，其對工作人員和設備構成了直接威脅，而且影響工程進度，還能造成支護失效，甚至地震。隨著開采深度的不斷增加，圍巖破壞頻度和強度越來越高，工程災害日益嚴重，安全問題亟待解決。
[0003]巖石流變特性是巖石力學的一個重要分支，其中，蠕變和應力松弛為其研宄的2個重要方面，同時也是巖石流變試驗中最常用的兩種觀測參數。工程中，巖石的蠕變和應力松弛特性直接與巖石的長期強度和巖體工程的長期穩定相關聯。蠕變和應力松弛往往不是單獨存在，兩種流變機制共同影響著巖石的力學特性，兩者之間互成聯系，蠕變的發展促進了應力的松弛，應力松弛過程中應力的下降降低了蠕變發展的應力條件，從蠕變的角度對巖石流變的研宄已取得了比較豐碩的成果，相比而言，應力松弛試驗要求儀器具有長時間保持應變恒定的性能，試驗技術難度較大，目前這方面開展的研宄還不多，發表的研宄成果相對較少，也沒有專門用于巖石應力松弛試驗的試驗系統。隨著采礦工程向深部的推進，使巖石應力已接近或處于巖石(巖體)的破壞強度，圍巖的松弛特性對外界的擾動變得很敏感，圍巖的松弛特性問題異常突出。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、能夠長時間保持應變恒定、可實現巖石松弛狀態下再加載試驗、并對試樣實時監測的巖石應力松弛試驗裝置及試驗方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:該巖石應力松弛試驗裝置，包括承載框架和承載框架上的增壓裝置，其特征在于:所述的增壓裝置設置在承載框架上部，試樣安裝在承載框架上增壓裝置的下方，增壓裝置通過無線壓力變送器與上位機相連接，并將壓力信號實時上傳至上位機；還設置有與上位機相連接的超聲波監測裝置和攝像裝置，對試樣進行實時監測；超聲波監測裝置包括安裝在所述的試樣上的超聲波監測探頭和非金屬超聲波檢測儀。
[0006]優選的，所述的承載框架包括頂部承載板、底部承載板以及頂部承載板和底部承載板之間的立柱，所述增壓裝置設置在頂部承載板中部，所述試樣安裝在底部承載板中部。
[0007]優選的，所述的增壓裝置包括液壓千斤頂和手動液壓泵，手動液壓泵通過管路與液壓千斤頂相連通。
[0008]一種利用上述巖石應力松弛試驗裝置的巖石應力松弛試驗方法，其特征在于:包括如下步驟:
步驟a，放置試樣在承載框架上增壓裝置的正下方； 步驟b，上位機和壓力變送器通信，對試樣受到的壓力實時監測；
步驟C，增壓裝置加壓至與試樣的上表面緊密接觸；
步驟d，超聲波監測裝置對試樣進行實時超聲波監測，得到超聲波波形數據并上傳至上位機；攝像裝置記錄試樣變化的圖像數據并上傳至上位機；
步驟e，增壓裝置對試樣施加位移載荷至預定載荷；
步驟f，預定時間內試樣的位移載荷不變，監測記錄全程的壓力數據；
步驟g，上位機分析監測到的壓力隨時間的變化關系，繪制應力-時間曲線。
[0009]優選的，步驟a中所述的試樣和所述的增壓裝置之間設有加載板。
[0010]優選的，步驟d中所述的攝像裝置和超聲波監測裝置的檢測方向相互垂直。
[0011]優選的，步驟d中所述的超聲波監測裝置和試樣之間設有耦合劑。
[0012]與現有技術相比，本發明的巖石應力松弛試驗裝置及試驗方法所具有的有益效果是:
1、本巖石應力松弛試驗裝置通過安裝在承載框架上的增壓裝置對試樣進行加載，結構簡單、輕便，便于搬運、移動，并且能夠長時間保持應變恒定，方便對試樣進行應力松弛的研宄，還可實現巖石松弛狀態下再加載試驗；增壓裝置通過無線壓力變送器與上位機通信，使上位機和增壓裝置擺脫了距離的限制；此外，本巖石應力松弛試驗裝置還設置有超聲波監測裝置和攝像裝置，可實現巖石應力的近程、遠程和全程的實時監測，并將監測數據上傳至上位機進行分析。
[0013]2、增壓裝置通過液壓千斤頂對試樣進行加載，能夠加載很大噸位，且液壓千斤頂油缸的行程大，可以施加很大的位移載荷；液壓千斤頂通過手動液壓泵控制，控制簡單。
[0014]3、本巖石應力松弛試驗方法操作簡單，通過上位機實時采集和顯示監測數據并繪制圖形與分析，實現了近程、遠程和全程的實時監測、并且試驗結果真實可靠；試驗中得到不同壓力水平下典型巖石類材料試件松弛特性曲線，然后采用先進的分析方法建立巖石松弛模型，為巷道、隧道圍巖穩定及控制研宄提供理論依據。
【附圖說明】
[0015]圖1為巖石應力松弛試驗裝置的結構示意圖。
[0016]圖2為巖石應力松弛試驗裝置的主視示意圖。
[0017]圖3為巖石應力松弛試驗裝置的連接圖。
[0018]圖4為巖石應力松弛試驗方法的流程圖。
[0019]圖5為應力松弛曲線。
[0020]圖中:1、承載框架101、頂部承載板102、底部承載板103、立柱2、液壓千斤頂3、加載板4、試樣5、超聲波監測探頭。
【具體實施方式】
[0021]圖1~5是本發明的最佳實施例，下面結合附圖1~5對本發明做進一步說明。
[0022]一種巖石應力松弛試驗裝置，包括承載框架I和承載框架I上的增壓裝置，增壓裝置設置在承載框架I上部，試樣4安裝在承載框架I上增壓裝置的下方，增壓裝置通過無線壓力變送器與上位機相連接，并將壓力信號實時上傳至上位機；還設置有與上位機相連接的超聲波監測裝置和攝像裝置，對試樣4進行實時監測；超聲波監測裝置包括安裝在所述的試樣4上的超聲波監測探頭5和非金屬超聲波檢測儀。通過安裝在承載框架I上的增壓裝置對試樣4進行加載，結構簡單、輕便，便于搬運、移動，并且能夠長時間保持應變恒定，方便對試樣4進行應力松弛的研宄，還可實現巖石松弛狀態下再加載試驗；此外，本巖石應力松弛試驗裝置還設置有超聲波監測裝置和攝像裝置，可實現巖石應力的近程、遠程測試和監測，還能對試驗全程實時監測，并將監測數據上傳至上位機進行分析。
[0023]具體的:如圖1~3所示:該巖石應力松弛試驗裝置包括承載框架I和承載框架I上的增壓裝置，增壓裝置設置在承載框架I上部，對試樣4施加位移載荷。
[0024]承載框架I包括頂部承載板101、底部承載板102以及頂部承載板101和底部承載板102之間的立柱103。頂部承載板101和底部承載板102為大小相同的正方形板。立柱103有四根，分別靠近頂部承載板101和底部承載板102的四個角設置，立柱103的兩端分別與頂部承載板101和底部承載板102固定連接。增壓裝置設置在頂部承載板101中部。
[0025]增壓裝置通過無線壓力變送器與上位機相連接，將壓力信號上傳至上位機，對試樣4的載荷進行實時監測。上位機為計算機。
[0026]該巖石應力松弛試驗裝置還設置有與上位機相連接的超聲波監測裝置和攝像裝置，可實現對試樣4近程、遠程、全程實時監測，還能對試驗全程實時監測，得到恒定變形條件下應力松弛全程的超聲波波形變化和全程試樣4的變化圖像。
[0027]增壓裝置包括液壓千斤頂2和手動液壓泵。液壓千斤頂2通過外接管路與手動液壓泵相連通，通過手動液壓泵提供液壓油給液壓千斤頂2，使液壓千斤頂2能夠給試樣4施加逐級位移載荷。
[0028]液壓千斤頂2的底座固定在頂部承載板101中部，液壓千斤頂2倒置設置。
[0029]手動液壓泵上安裝無線壓力變送器，上位機上安裝有接收器，將手動液壓泵的壓力實時上傳至上位機，并通過上位機中的軟件進行壓力數據的顯示、記錄和統計分析，實現巖石應力隨時間變化的長期監測。
[0030]超聲波監測裝置包括非金屬超聲波檢測儀和超聲波監測探頭5。超聲波監測探頭5通過夾子安裝在試樣4的左右兩側上。非金屬超聲波檢測儀的信號輸入端口與超