本發(fā)明涉及深部礦山工程巖體力學(xué)和巖土工程研究領(lǐng)域，特別涉及一種模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的極大進(jìn)步，我國(guó)水電、交通隧道、地下國(guó)防工程、地下儲(chǔ)油庫(kù)、金屬礦山等地下工程因各行各業(yè)的需要而迅速發(fā)展。越來(lái)越多的深埋長(zhǎng)大隧道進(jìn)入施工期，其“長(zhǎng)、大、群、深”的特點(diǎn)日趨明顯；巖爆日益成為制約地下工程發(fā)展的重大地質(zhì)災(zāi)害之一。

巖爆是能量巖體沿開挖臨空面瞬間釋放能量的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。目前在世界范圍內(nèi)約有20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)存在不同程度的巖爆問(wèn)題。由于發(fā)生巖爆的應(yīng)力復(fù)雜，對(duì)于巖爆的認(rèn)識(shí)，還不全面；目前在巖爆的研究方面，現(xiàn)場(chǎng)的工作集中在支護(hù)防治與微震預(yù)報(bào)方面，室內(nèi)的工作則是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖爆現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理進(jìn)行探討。在巖爆的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面，過(guò)去還沒有形象地在室內(nèi)再現(xiàn)巖爆全過(guò)程。要想能夠充分解釋巖爆機(jī)理，并較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆，還要從多方面進(jìn)行大量的工作。由于很難獲得現(xiàn)場(chǎng)巖爆發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)資料，因此如在室內(nèi)重現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，就可以采用多種測(cè)試手段對(duì)其發(fā)生及發(fā)展過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析巖爆成因、巖爆的種類、觀察巖爆發(fā)生規(guī)模大小，這對(duì)深入研究巖爆機(jī)理及預(yù)測(cè)防治巖爆有重要的理論價(jià)值及工程意義。

關(guān)于巖爆模擬實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外研究工作者做了大量的工作，主要從實(shí)驗(yàn)類型對(duì)巖爆進(jìn)行室內(nèi)巖爆模擬。經(jīng)歷了單軸巖爆實(shí)驗(yàn)(單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、單軸動(dòng)靜-組合巖爆實(shí)驗(yàn)、單軸動(dòng)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)、單軸拉伸實(shí)驗(yàn)、單軸峰后應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn))；雙軸壓縮巖爆實(shí)驗(yàn)；三軸巖爆實(shí)驗(yàn)(常規(guī)三軸卸載實(shí)驗(yàn)及真三軸巖爆實(shí)驗(yàn))；相似材料及模型巖爆實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合我國(guó)煤礦進(jìn)入深部以后巖爆增加的現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)巖爆發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程巖爆現(xiàn)象，將巖爆分為應(yīng)變巖爆、巖柱巖爆和沖擊巖爆。應(yīng)變巖爆是能量巖體沿著開挖臨空面突然釋放能量而產(chǎn)生的非線性動(dòng)力學(xué)破壞現(xiàn)象，是直接由應(yīng)力和應(yīng)變演化作用的結(jié)果。表現(xiàn)為臨空面不同部位巖塊、巖片彈射等動(dòng)力破壞現(xiàn)象。應(yīng)變巖爆可分為瞬時(shí)巖爆和滯后巖爆。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)變巖爆的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M還有很多不足之處，主要表現(xiàn)在缺少精密合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和科學(xué)的試驗(yàn)方法：現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變巖爆是在三向應(yīng)力狀態(tài)下由于開挖產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)化而發(fā)生的，對(duì)于巷道表面某一巖體單元，巖爆應(yīng)力狀態(tài)可以看作是三向六面應(yīng)力中單面突然卸載而形成三向五面應(yīng)力的不平衡力狀態(tài)。無(wú)論是單軸實(shí)驗(yàn)、雙軸實(shí)驗(yàn)、三軸加載巖爆、三軸卸載巖爆實(shí)驗(yàn)中緩慢卸圍壓還是真三軸緩慢卸載，巖爆實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力路徑都不符合應(yīng)變巖爆發(fā)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)化條件，傳統(tǒng)的模擬現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法存在應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程不一致的問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的巖爆加載系統(tǒng)中的試件盒裝置，相鄰壓板之間預(yù)留有加載間隙，對(duì)于某些巖樣試件例如軟巖，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖樣試件的變形可能過(guò)大，超過(guò)壓板之間預(yù)留間隙，這時(shí)壓板會(huì)產(chǎn)生相互干涉從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，難以得到巖石力學(xué)性質(zhì)。

在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本實(shí)用新型的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，其能夠真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變巖爆。

本實(shí)用新型的額外方面和優(yōu)點(diǎn)將部分地在下面的描述中闡述，并且部分地將從描述中變得顯然，或者可以通過(guò)本實(shí)用新型的實(shí)踐而習(xí)得。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

S1、提供一長(zhǎng)方體或正方體形狀的巖樣試件；

S2、向所述巖樣試件的六個(gè)面加載三向初始應(yīng)力，并保持20-30分鐘，模擬巖體受力情況；

S3、將作用于所述巖樣試件其中一個(gè)面的應(yīng)力突然卸載，使所述巖樣試件的其中一個(gè)面形成臨空面，模擬巷道開挖情況；

S4、觀察所述巖樣試件的狀態(tài)：如果所述巖樣試件發(fā)生破壞，則實(shí)驗(yàn)結(jié)束；如果巖樣試件未發(fā)生破壞，則保載15～30分鐘或者將沒有卸載的兩項(xiàng)應(yīng)力中的至少一個(gè)的應(yīng)力值勻速提高至一設(shè)計(jì)值；

S5、觀察所述巖樣試件的狀態(tài)：如果所述巖樣試件發(fā)生破壞則實(shí)驗(yàn)結(jié)束，如果巖樣試件未發(fā)生破壞，則將步驟S3卸載的應(yīng)力重新加載至所述巖樣試件，并提高另外兩向應(yīng)力至少其中之一的應(yīng)力值，以該狀態(tài)下的三向應(yīng)力值作為初始應(yīng)力，重復(fù)上述步驟S2-S5，直到所述巖樣試件發(fā)生破壞，其中在每一次重復(fù)上述步驟S2-S5過(guò)程中，步驟S5中所述的設(shè)計(jì)值均比上一次增加一個(gè)應(yīng)力增量。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法中，對(duì)巖樣試件三個(gè)方向施加載荷并保載后，突然卸掉其中一個(gè)面的應(yīng)力，使所述巖樣試件的其中一個(gè)面形成臨空面，能夠模擬巷道開挖的情況；通過(guò)反復(fù)循環(huán)的加載-卸載應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，直到應(yīng)變巖爆發(fā)生，故本發(fā)明的方法能成功模擬應(yīng)變巖爆。通過(guò)模擬該巖樣試件的巖爆災(zāi)害現(xiàn)象，并對(duì)巖爆過(guò)程及現(xiàn)象進(jìn)行充分分析，有利于較準(zhǔn)確地找到對(duì)開挖作用敏感的薄弱部位，采取相應(yīng)措施，從而避免或減少災(zāi)害損失。

本發(fā)明中通過(guò)以下參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法中所提供的加載裝置一實(shí)施方式的組裝圖，其中示出本發(fā)明試件盒裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)；

圖2是圖1所示的加載裝置的立體分解示意圖；

圖3是圖1所示的加載裝置中拆除頂部壓板后的俯視圖；

圖4是本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法一實(shí)施例的流程圖；

圖5A示出本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法中向巖樣試件加載三向應(yīng)力的示意圖；

圖5B示出在圖5A基礎(chǔ)上突然卸載一向應(yīng)力的示意圖；

圖5C示出在圖5B基礎(chǔ)上提高其中一向應(yīng)力水平的示意圖；

圖6示出本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法在模擬發(fā)生瞬時(shí)巖爆時(shí)的應(yīng)力變化情況；

圖7示出本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法在模擬發(fā)生滯后巖爆時(shí)的應(yīng)力變化情況。

具體實(shí)施方式

下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施例只用于舉例說(shuō)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，可選擇地，包括提供一試件盒裝置步驟，所述試件盒裝置用于裝載所述巖樣試件。下面首先詳細(xì)介紹該試件盒裝置的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的加載裝置，除可應(yīng)用于應(yīng)變巖爆實(shí)驗(yàn)之外，還可應(yīng)用于巖柱巖爆、沖擊巖爆等其他三軸巖爆實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明實(shí)施例中，X軸方向、Y軸方向和Z軸方向相互垂直，構(gòu)成三維空間，X軸方向、Z軸方向?yàn)樗椒较?，Y軸方向?yàn)樨Q直方向。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的加載裝置一實(shí)施方式包括本發(fā)明試件盒裝置、兩個(gè)第一加壓頭7、兩個(gè)第二加壓頭8以及兩個(gè)第三加壓頭9。

兩個(gè)第一加壓頭7分別與試件盒裝置中的位于X方向上的兩個(gè)壓板配合工作；兩個(gè)第二加壓頭8分別與試件盒裝置中的位于Y方向上的兩個(gè)壓板配合工作；兩個(gè)第三加壓頭9分別與試件盒裝置中的位于Z方向上的兩個(gè)壓板配合工作。X方向、Y方向、Z方向可以分別對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)系下的X軸方向、Y軸方向、Z軸方向。

其中所述的配合工作通?？梢允牵杭訅侯^在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)作用下向相應(yīng)壓板施加力的作用，作用于壓板上的力可以傳遞到位于試件盒裝置內(nèi)的巖樣試件100上。

本發(fā)明提供的加載裝置還包括兩個(gè)第一減摩結(jié)構(gòu)71、兩個(gè)第二減摩結(jié)構(gòu)81和兩個(gè)第三減摩結(jié)構(gòu)91。兩個(gè)第一減摩結(jié)構(gòu)71分別設(shè)置于第一加壓頭7和與之配合工作的壓板之間，用于減小二者之間的摩擦力；兩個(gè)第二減摩結(jié)構(gòu)81分別設(shè)置于第二加壓頭8和與之配合工作的壓板之間，用于減小二者之間的摩擦力；兩個(gè)第三減摩結(jié)構(gòu)91分別設(shè)置于第三加壓頭9和與之配合工作的壓板之間。

第一減摩結(jié)構(gòu)71、第二減摩結(jié)構(gòu)81和第三減摩結(jié)構(gòu)91可以是滾珠或滾柱，所述滾珠或滾柱可以設(shè)置于加壓頭上，也可以設(shè)置在與加壓頭配合工作的壓板上，具體設(shè)置方式可參見本發(fā)明試件盒裝置中減摩結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式。下面詳細(xì)介紹本發(fā)明提供的試件盒裝置。

在本發(fā)明提供的加載裝置的其他實(shí)施方式中，也可以不設(shè)置第一減摩結(jié)構(gòu)71、第二減摩結(jié)構(gòu)81和第三減摩結(jié)構(gòu)91。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的試件盒裝置，主要用于裝載一巖樣試件100。本發(fā)明模擬巖爆實(shí)驗(yàn)的試件盒裝置第一實(shí)施方式包括6塊壓板，分別是設(shè)置于X方向的兩塊壓板、設(shè)置Y方向的兩塊壓板和設(shè)置Z方向的兩塊壓板，6塊壓板組裝成一具有內(nèi)部容置空間的長(zhǎng)方體，巖樣試件100容置于該容置空間內(nèi)。

在其他一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供的試件盒裝置還包括減摩結(jié)構(gòu)。減摩結(jié)構(gòu)主要用于減小相接觸的兩塊壓板之間的摩擦力，其設(shè)置于兩個(gè)壓板的相接觸的部分之間。減摩結(jié)構(gòu)可以是多個(gè)滾珠，滾珠設(shè)置于相接觸的任一壓板的與其他壓板相接觸的部，例如在壓板上設(shè)置多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)通過(guò)粘結(jié)等方式固定一個(gè)滾珠。固定于壓板上的多個(gè)滾珠的外端面與壓板的內(nèi)表面或第一端面平齊。此外，滾珠也可以由其他能減小摩擦力的結(jié)構(gòu)例如滾柱代替。

組成試件盒裝置的6塊壓板之間的組合方式要保證在外力作用下壓板均能夠沿著X方向、Y方向移動(dòng)或Z方向上的壓板能自由移動(dòng)，這樣可以防止巖暴試驗(yàn)過(guò)程中由于巖樣試件100較大的形變量而在各壓板之間產(chǎn)生干涉。

組成試件盒裝置的6塊壓板可以具有多種組合方式來(lái)避免各壓板在巖暴試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生干涉，舉例來(lái)說(shuō)，每一塊壓板具有相反的內(nèi)表面和外表面以及依次首尾相接的四個(gè)側(cè)面。6塊壓板中的任一塊壓板的相鄰的一對(duì)側(cè)面分別與剩余的5塊壓板中的兩塊壓板的內(nèi)表面接觸，該壓板的相鄰的另一對(duì)側(cè)面分別與剩余的3塊壓板中的兩塊壓板的外表面平齊。巖樣試件100放置在6塊壓板組成的容置空間內(nèi)，并與各壓板的內(nèi)表面接觸。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明模擬巖爆實(shí)驗(yàn)的試件盒裝置第一實(shí)施方式中，組成試件盒裝置的6塊壓板分別是正方體狀的第一壓板1、第二壓板2、第三壓板3、第四壓板4、第五壓板5和第六壓板6。

第一壓板1具有相反的內(nèi)表面11和外表面12以及連接于內(nèi)表面11和外表面12并且依次首尾連接的第一側(cè)面、第二側(cè)面14、第三側(cè)面15、第四側(cè)面16，其中第一側(cè)面和第二側(cè)面14上分別設(shè)置有滾珠20。

第一壓板1具有相反的內(nèi)表面11和外表面12以及連接于內(nèi)表面11和外表面12并且依次首尾連接的第一側(cè)面、第二側(cè)面14、第三側(cè)面15、第四側(cè)面16，其中第一側(cè)面和第二側(cè)面14上分別設(shè)置有滾珠20。

第二壓板2具有相反的內(nèi)表面21和外表面22以及連接于內(nèi)表面21和外表面22并且依次首尾連接的第一側(cè)面23、第二側(cè)面24、第三側(cè)面25、第四側(cè)面26，其中第一側(cè)面23和第二側(cè)面24上分別設(shè)置有滾珠20。

第三壓板3具有相反的內(nèi)表面31和外表面32以及連接于內(nèi)表面31和外表面32并且依次首尾連接的第一側(cè)面33、第二側(cè)面34、第三側(cè)面35、第四側(cè)面，其中第一側(cè)面33和第四側(cè)面上分別設(shè)置有滾珠20。

第四壓板4具有相反的內(nèi)表面41和外表面42以及連接于內(nèi)表面41和外表面42并且依次首尾連接的第一側(cè)面43、第二側(cè)面44、第三側(cè)面45、第四側(cè)面，其中第一側(cè)面43和第四側(cè)面上分別設(shè)置有滾珠20。

第五壓板5具有相反的內(nèi)表面51和外表面52以及連接于內(nèi)表面51和外表面52并且依次首尾連接的第一側(cè)面53、第二側(cè)面、第三側(cè)面55、第四側(cè)面56，其中第一側(cè)面53和第二側(cè)面上分別設(shè)置有滾珠20。

第六壓板6具有相反的內(nèi)表面61和外表面62以及連接于內(nèi)表面61和外表面62并且依次首尾連接的第一側(cè)面63、第二側(cè)面64、第三側(cè)面65、第四側(cè)面66，其中第一側(cè)面63和第二側(cè)面64上分別設(shè)置有滾珠20。

如圖2和圖3所示，組裝時(shí)，第五壓板5水平放置，第一壓板1的內(nèi)表面11與第五壓板5的第二側(cè)面上的滾珠20接觸。

第二壓板2的內(nèi)表面21與第五壓板5的第一側(cè)面53上的滾珠20接觸，第二壓板2的第一側(cè)面23上的滾珠20與第一壓板1的內(nèi)表面11接觸。

第三壓板3的第四側(cè)面上的滾珠20與第五壓板5的內(nèi)表面51接觸，第三壓板3的第一側(cè)面33上的滾珠20第二壓板2的內(nèi)表面21接觸。

第四壓板4的第四側(cè)面上的滾珠20與第五壓板5的內(nèi)表面51接觸，第四壓板4的第一側(cè)面43與接觸第三壓板3的內(nèi)表面31接觸。

第六壓板6的內(nèi)表面61與第一壓板1的第二側(cè)面14上的滾珠20和第二壓板2的第二側(cè)面24上的滾珠20接觸；第六壓板6的第一側(cè)面63的滾珠20和第二側(cè)面64上的滾珠20分別與第三壓板3的內(nèi)表面31和第四壓板4的內(nèi)表面41接觸。

從而第一壓板1、第二壓板2、第三壓板3、第四壓板4、第五壓板5和第六壓板6組成了一個(gè)內(nèi)部具有容置空間的正方體，巖樣試件100容置于該容置空間內(nèi)。

本發(fā)明模擬巖爆實(shí)驗(yàn)的試件盒裝置第一實(shí)施方式中，第二壓板2受到X方向的外力沿著X方向(例如圖1的水平方向)向左移動(dòng)時(shí)，第三壓板3可以隨之移動(dòng)，即第二壓板2不會(huì)受到阻礙；當(dāng)?shù)谒膲喊?受到X方向的外力移動(dòng)時(shí)，沿著X方向向右移動(dòng)時(shí)，第一壓板1可以隨之移動(dòng)，即第四壓板4的移動(dòng)不會(huì)受到阻礙。同樣道理，在Y方向(例如圖1的豎直方向)上，第一壓板1、第三壓板3也可以沒有阻礙地自由移動(dòng)；在Z方向(垂直于X方向和Y方向的方向)上，第五壓板5、第六壓板6也可以沒有阻礙地自由移動(dòng)。因此，本發(fā)膽模擬巖爆實(shí)驗(yàn)的試件盒裝置第一實(shí)施方式中，無(wú)論在X方向、Y方向還是Z方向上，各壓板的運(yùn)動(dòng)均沒有干涉，因此使用本發(fā)明試件盒裝置進(jìn)行模擬巖爆實(shí)驗(yàn)?zāi)塬@得更真實(shí)的巖樣試件100的力學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明試件盒裝置不但適用于巖樣試件100是變形量較小的硬巖，特別適用于巖樣試件100是變形量較大的軟巖。

如圖4所示，本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法一實(shí)施例，包括如下步驟：

S1、提供一個(gè)150*60*30mm³的長(zhǎng)方體巖樣試件；當(dāng)然本發(fā)明中，巖樣試件的尺寸并不限上述具體的數(shù)值，可根據(jù)實(shí)際情況任意調(diào)整，并且?guī)r樣試件的形狀也不限于長(zhǎng)方體，其還可以是正方體形或者具有6個(gè)三維面的其他形狀。為了能更接近開挖現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，巖樣試件可以取自于擬開挖現(xiàn)場(chǎng)處的巖體。

S2、向巖樣試件的六個(gè)面上加載三向初始應(yīng)力σ₁，σ₂，σ₃，并保載25分鐘，模擬開挖現(xiàn)場(chǎng)巖體受力情況，如圖5A和圖6所示。保載時(shí)間不限于25分鐘，可以適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)，例如保載時(shí)間在20-30分鐘內(nèi)甚至更寬范圍均是可行的。

其中三向初始應(yīng)力σ₁，σ₂，σ₃的方向可以分別對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)下的Y方向、X方向和Z方向；三向初始應(yīng)力σ₁，σ₂，σ₃的大小可以與擬開挖現(xiàn)場(chǎng)處的地應(yīng)力值相當(dāng)。地應(yīng)力值是根據(jù)擬開挖現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力測(cè)量得到的，或者是擬開挖現(xiàn)場(chǎng)所屬地區(qū)的地應(yīng)力值，其可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)獲得。

S3、將作用于所述巖樣試件其中一個(gè)面的應(yīng)力突然卸載，使所述巖樣試件的其中一個(gè)面形成臨空面，模擬巷道開挖情況。圖5B示出突然卸載σ₃，即突然卸載Z方向的其中一個(gè)面的應(yīng)力，則巖樣試件在Z方向的其中一個(gè)面形成臨空面。

S4、觀察所述巖樣試件的狀態(tài)：

如果所述巖樣試件發(fā)生破壞，則實(shí)驗(yàn)結(jié)束；

如果巖樣試件未發(fā)生破壞，則將沒有卸載的兩項(xiàng)應(yīng)力中的至少一個(gè)例如σ₂的應(yīng)力值勻速提高至一設(shè)計(jì)值，將σ₂的應(yīng)力值勻速提高至一設(shè)計(jì)值的過(guò)程可以分步進(jìn)行，即先將σ₂的應(yīng)力值勻速提高至一相對(duì)較小的值，再逐級(jí)增加，直到設(shè)計(jì)值；當(dāng)然也可以直接將σ₂的應(yīng)力值勻速提高至設(shè)計(jì)值。

S5、觀察所述巖樣試件的狀態(tài)：

如果所述巖樣試件發(fā)生破壞則實(shí)驗(yàn)結(jié)束；

如果巖樣試件未發(fā)生破壞，則將步驟S3卸載的應(yīng)力重新加載至所述巖樣試件，并提高另外兩向應(yīng)力至少其中之一的應(yīng)力值，以該狀態(tài)下的三向應(yīng)力值作為初始應(yīng)力，重復(fù)上述步驟S2-S5，直到所述巖樣試件發(fā)生破壞，其中在每一次重復(fù)上述步驟S2-S5過(guò)程中，步驟S5中所述的設(shè)計(jì)值均比上一次增加一個(gè)應(yīng)力增量。

此外，在所述S5步驟中，觀察所述巖樣試件的狀態(tài)的過(guò)程中，如果聽到巖樣試件傳出聲音但未觀察到巖樣試件未破壞現(xiàn)象，則使巖樣試件在所述S4步驟的應(yīng)力作用下繼續(xù)保持15-30分鐘；再次觀察所述巖樣試件的狀態(tài)：如果所述巖樣試件發(fā)生破壞則實(shí)驗(yàn)結(jié)束，則將步驟S3卸載的應(yīng)力重新加載至所述巖樣試件，并提高另外兩向應(yīng)力至少其中之一的應(yīng)力值，以該狀態(tài)下的三向應(yīng)力值作為初始應(yīng)力，重復(fù)上述步驟S1-S5，直到所述巖樣試件發(fā)生破壞。

在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還包括用微型攝像頭對(duì)破壞過(guò)程進(jìn)行攝像或者拍照步驟，即當(dāng)觀察到巖樣試件表面有剝落現(xiàn)象時(shí)和/或當(dāng)巖樣試件進(jìn)入被破壞過(guò)程時(shí)，用調(diào)整攝像機(jī)對(duì)破壞過(guò)程進(jìn)行攝像或者拍照，或者同時(shí)進(jìn)行拍照和攝像。

下面結(jié)構(gòu)圖4、圖6和圖7，介紹具體的實(shí)驗(yàn)例。

參見圖6，圖6示出本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法在模擬發(fā)生瞬時(shí)巖爆時(shí)的應(yīng)力變化情況。圖6中橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，單位為分鐘；縱坐標(biāo)σ表示應(yīng)力，單位為兆帕；最下面的曲線表示Z方向的應(yīng)力值σ₃隨著時(shí)間t變化的情況，中間的曲線表示X方向的應(yīng)力值σ₂隨著時(shí)間t變化的情況，最上面的曲線表示Y方向的應(yīng)力值σ₁隨著時(shí)間t變化的情況。

進(jìn)一步參見圖4，實(shí)驗(yàn)開始后，向巖樣試件的六個(gè)面加載三向初始應(yīng)力σ₁，σ₂，σ₃，在t₀時(shí)刻，三向初始應(yīng)力值σ₁，σ₂，σ₃達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，保載至t₁時(shí)刻，保載時(shí)間(t₁-t₀)例如30分鐘。

接著，在t₁時(shí)刻，突然卸載σ₃，此時(shí)巖樣試件未發(fā)生破壞，即σ₁，σ₂保持不變。

在三向應(yīng)力分別為σ₁，σ₂，0的狀態(tài)持續(xù)至t₂時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₂-t₁)例如25分鐘，再將σ₃重新加載至巖樣試件，并且提高其他兩向應(yīng)力σ₁，σ₂至一設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂，巖樣試件未發(fā)生破壞，保持該狀態(tài)(t₃-t₂)例如20分鐘至t₃時(shí)刻。在其他一些實(shí)施方式中，可以分級(jí)逐步將σ₁，σ₂值提高至所述設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂。在其他一些實(shí)施方式中，也可以只提高σ₁，σ₂其中之一至設(shè)計(jì)值，而另一個(gè)保持不變。其中，設(shè)計(jì)值可是該巖樣試件單軸強(qiáng)度的1/8～1/10。該巖樣試件的單軸強(qiáng)度可以通過(guò)傳統(tǒng)的單軸實(shí)驗(yàn)獲得。將應(yīng)力值勻速提高至設(shè)計(jì)值的加載速率可以在0.5～1.0MPa/s(兆帕/秒)。

接著，在t₃時(shí)刻，突然卸載σ₃，此時(shí)巖樣試件仍未發(fā)生破壞，即σ₁，σ₂保持不變。

接下來(lái)，在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂，0的狀態(tài)持續(xù)至t₄時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₄-t₃)例如30分鐘，再將σ₃重新加載至巖樣試件，并且提高其他兩向應(yīng)力σ₁，σ₂值至一設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁′，σ_2+Δσ₂′，巖樣試件未發(fā)生破壞，保持該狀態(tài)(t₅-t₄)例如15分鐘至t₅時(shí)刻。同樣道理，可以分級(jí)逐步將σ₁，σ₂值提高至所述設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁′，σ_2+Δσ₂′；可以只提高σ₁，σ₂其中之一至設(shè)計(jì)值，而另一個(gè)保持不變。設(shè)計(jì)值可是該巖樣試件單軸強(qiáng)度的1/9。勻速提高應(yīng)力的加載速率可以是0.8MPa/s。

接著，在t₅時(shí)刻，突然卸載σ₃，此時(shí)巖樣試件仍未發(fā)生破壞，即σ₁，σ₂保持不變。

接下來(lái)，在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂，0的狀態(tài)持續(xù)至t₆時(shí)刻，瞬時(shí)巖爆發(fā)生，應(yīng)力為σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂急劇下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

需要說(shuō)明的是，上述瞬時(shí)巖爆模擬實(shí)驗(yàn)方法僅僅是一個(gè)示例，本發(fā)明并不以此為限，在其他一些實(shí)施方式中，瞬時(shí)巖爆可能發(fā)生于t₁至t₂這段卸載了σ₃的時(shí)間段內(nèi)，或者發(fā)生于t₃至t₄這段卸載了σ₃的時(shí)間段內(nèi)；也有可能在t₆時(shí)刻仍未發(fā)生瞬時(shí)巖爆，從而需再次重復(fù)向巖樣試件加載-卸載的循環(huán)，直到瞬時(shí)巖爆發(fā)生時(shí)為止。

參見圖7，圖7示出本發(fā)明模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法在模擬發(fā)生滯后巖爆時(shí)的應(yīng)力變化情況。圖7中橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，單位為分鐘；縱坐標(biāo)σ表示應(yīng)力，單位為兆帕；最下面的曲線表示Z方向的應(yīng)力值σ₃隨著時(shí)間t變化的情況，中間的曲線表示X方向的應(yīng)力值σ₂隨著時(shí)間t變化的情況，最上面的曲線表示Y方向的應(yīng)力值σ₁隨著時(shí)間t變化的情況。

進(jìn)一步參見圖4，實(shí)驗(yàn)開始后，向巖樣試件的六個(gè)面加載三向初始應(yīng)力σ₁，σ₂，σ₃，在t₀時(shí)刻，三向初始應(yīng)力值σ₁，σ₂，σ₃達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，保載至t₁時(shí)刻，保載時(shí)間(t₁-t₀)例如28分鐘。

接著，在t₁時(shí)刻，突然卸載σ₃，同時(shí)勻速提升σ₁至一設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁，巖樣試件未發(fā)生破壞；在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁，σ₂，0的狀態(tài)持續(xù)至t₂時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₂-t₁)例如26分鐘，再將σ₃重新加載至巖樣試件，同時(shí)勻速提升σ₂至一設(shè)計(jì)值σ_2+Δσ₂，巖樣試件未發(fā)生破壞；在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁，σ_2+Δσ₂，σ₃的狀態(tài)持續(xù)至t₃時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₃-t₂)例如18分鐘，再次突然卸載σ₃，同時(shí)勻速提升σ₁至一設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁′，巖樣試件未發(fā)生破壞；

在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁′，σ_2+Δσ₂，0的狀態(tài)持續(xù)至t₄時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₄-t₃)例如20分鐘，再將σ₃重新加載至巖樣試件，同時(shí)勻速提升σ₂至一設(shè)計(jì)值σ_2+Δσ₂′，巖樣試件未發(fā)生破壞；在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁′，σ_2+Δσ₂′，σ₃的狀態(tài)持續(xù)至t₅時(shí)刻，該持續(xù)時(shí)間(t₅-t₄)例如28分鐘，在t₅時(shí)刻，突然卸載σ₃，同時(shí)勻速提升σ₁至一設(shè)計(jì)值σ_1+Δσ₁″，巖樣試件未發(fā)生破壞；在三向應(yīng)力分別為σ_1+Δσ₁″，σ_2+Δσ₂′，0的狀態(tài)持續(xù)至t₆時(shí)刻，滯后巖爆發(fā)生，應(yīng)力σ_1+Δσ₁″，σ_2+Δσ₂′急劇下降。

需要說(shuō)明的是，上述滯后巖爆模擬實(shí)驗(yàn)方法僅僅是一個(gè)示例，并非限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，并且瞬時(shí)巖爆模擬實(shí)驗(yàn)方法中的一些特征，例如設(shè)計(jì)值的確定，提升應(yīng)力值的方式、速度等均適用于滯后巖爆模擬實(shí)驗(yàn)方法。

本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法中，模擬發(fā)生瞬時(shí)巖爆的實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力控制可以概括為：三向六面加載-單面突然卸載-軸向保持不變。采用該方法模擬深部圍巖在三向應(yīng)力狀態(tài)下，由于開挖卸載，產(chǎn)生臨空面。根據(jù)工程要求，對(duì)一定深度的圍巖，可以根據(jù)地應(yīng)力值，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的三向應(yīng)力值，作為三向加載的應(yīng)力設(shè)計(jì)依據(jù)。三向加載是恢復(fù)原巖的三向應(yīng)力狀態(tài)并產(chǎn)生能量積聚；突然卸載單面荷載，模擬地下工程的工程開挖，產(chǎn)生臨空面，在高應(yīng)力下可能發(fā)生瞬時(shí)巖爆。

本發(fā)明的模擬應(yīng)變巖爆的實(shí)驗(yàn)方法中，模擬發(fā)生滯后巖爆實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力控制過(guò)程可以概括為：三向六面加載-單面突然卸載-軸向加載。采用該方法模擬深部圍巖三向應(yīng)力狀態(tài)下，由于開挖卸載，產(chǎn)生臨空面后再加上應(yīng)力集中作用，在高應(yīng)力下可能發(fā)生巖爆的現(xiàn)象。根據(jù)工程要求，對(duì)一定深度的圍巖，可以根據(jù)地應(yīng)力值，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的三向應(yīng)力值，作為三向加載的應(yīng)力設(shè)計(jì)依據(jù)。三向加載，模擬地下原巖的三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生能量積聚；單面突然卸載模擬地下工程開挖，產(chǎn)生臨空面，能量向臨空面釋放；增加軸向載荷模擬切向應(yīng)力增加，在上述應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程中，條件適宜時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯后巖爆。

雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語(yǔ)是說(shuō)明和示例性、而非限制性的術(shù)語(yǔ)。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。