用于模拟岩爆实验的试件盒装置及加载装置技术领域
本发明涉及深部矿山工程岩体力学和岩土工程研究领域，特别涉及一种用于模拟
岩爆实验的试件盒装置及加载装置。
背景技术
随着社会经济的极大进步，我国水电、交通隧道、地下国防工程、地下储油库、金属
矿山等地下工程因各行各业的需要而迅速发展。越来越多的深埋长大隧道进入施工期，其
“长、大、群、深”的特点日趋明显；岩爆日益成为制约地下工程发展的重大地质灾害之一。
岩爆是能量岩体沿开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象。目前在世界范
围内约有20多个国家和地区存在不同程度的岩爆问题。由于发生岩爆的应力复杂，对于岩
爆的认识，还不全面；目前在岩爆的研究方面，现场的工作集中在支护防治与微震预报方
面，室内的工作则是对现场岩爆现象发生机理进行探讨。在岩爆的室内实验方面，过去还没
有形象地在室内再现岩爆全过程。要想能够充分解释岩爆机理，并较准确预测预报岩爆，还
要从多方面进行大量的工作。由于很难获得现场岩爆发生时的数据资料，因此如在室内重
现岩爆现象，就可以采用多种测试手段对其发生及发展过程进行监测，并根据实验数据分
析岩爆成因、岩爆的种类、观察岩爆发生规模大小，这对深入研究岩爆机理及预测防治岩爆
有重要的理论价值及工程意义。
关于岩爆模拟实验研究，国内外研究工作者做了大量的工作，主要从实验类型对
岩爆进行室内岩爆模拟。经历了单轴岩爆实验(单轴压缩实验、单轴动静-组合岩爆实验、单
轴动循环加卸载实验、单轴拉伸实验、单轴峰后应力松弛实验)；双轴压缩岩爆实验；三轴岩
爆实验(常规三轴卸载实验及真三轴岩爆实验)；相似材料及模型岩爆实验。前人对岩爆的
实验研究，无论是利用单轴实验、双轴实验、三轴加载岩爆、三轴卸载岩爆实验中缓慢卸围
压还是真三轴缓慢卸载，岩爆加载系统中采用常规的试件盒装置，相邻压板之间预留有加
载间隙，如果实验试样是软岩，那么实验过程中软岩的变形可能过大，超过压板之间预留间
隙，这时压板会产生相互干涉从而影响实验结果的真实性，难以得到软岩岩石力学性质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟岩爆实验的试件盒装置及加载装置，其能获
得更真实的岩样试件的力学性质。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明用于模拟岩爆实验的试件盒装置，用于装载一岩样试件.所述试件盒装置
包括沿X方向布置的两块压板、沿Y方向布置的两块压板和沿Z方向布置的两块压板，这些压
板组装成一个具有内部容置空间的长方体，所述岩样试件容置于该容置空间内；其中在X方
向、Y方向或Z方向上的任一块压板在受到相应方向的外力作用时能够沿着该外力方向移
动。
根据本发明的另一个方面，一种用于模拟岩爆实验的加载装置，其特征在于，包括
试件盒装置、两个第一加压头、两个第二加压头和两个第三加压头。试件盒装置是本发明所
述的用于模拟岩爆实验的试件盒装置；两个第一加压头分别与所述试件盒装置中的位于X
方向上的两个压板配合工作；两个第二加压头分别与所述试件盒装置中的位于Y方向上的
两个压板配合工作；两个第三加压头分别与所述试件盒装置中的位于Y方向上的两个压板
配合工作。
由上述技术方案可知，本发明的用于模拟岩爆实验的试件盒装置的优点和积极效
果在于：
本发明用于模拟岩爆实验的试件盒装置包括6块压板，分别是设置于X方向的两块
压板、设置Y方向的两块压板和设置Z方向的两块压板，6块压板组合形成一容纳岩样试件的
长方体，在任一X、Y、Z方向的外力作用下对应的X、Y、Z方向上的块压板均能够沿着该外力方
向移动，而不受其他压板的干涉，因此使用本发明试件盒装置进行模拟岩爆实验能获得更
真实的岩样试件的力学性质。
本发明中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、
特征和优点将更加明显。
附图说明
图1是本发明用于模拟岩爆实验的加载装置一实施方式的组装图，其中示出本发
明试件盒装置一实施方式的结构；
图2是图1所示的用于模拟岩爆实验的加载装置的立体分解示意图；
图3是图1所示的用于模拟岩爆实验的加载装置中拆除顶部压板后的俯视图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例
说明，并不用于限制本发明。
本发明的加载装置可应用于模拟岩爆实验中，其中模拟岩爆实验主要包括模拟冲
击型岩爆实验、模拟应变型岩爆实验等，通过沿着相互垂直的X方向、Y方向和Z方向向一岩
样试件施加载荷，来了解岩样的应力、应变等性质。
参见图1、图2和图3，图1是本发明用于模拟岩爆实验的加载装置一实施方式的组
装图，其中示出本发明试件盒装置一实施方式的结构，并且图1中设有一缺角，以清晰示出
三块压板之间的组合关系；图2是图1所示的用于模拟岩爆实验的加载装置的立体分解示意
图；图3是图1所示的用于模拟岩爆实验中拆除顶部压板后的俯视图。
如图1、图2和图3所示，本发明用于模拟岩爆实验的加载装置一实施方式包括本发
明试件盒装置、两个第一加压头7、两个第二加压头8以及两个第三加压头9。
两个第一加压头7分别与试件盒装置中的位于X方向上的两个压板配合工作；两个
第二加压头8分别与试件盒装置中的位于Y方向上的两个压板配合工作；两个第三加压头9
分别与试件盒装置中的位于Z方向上的两个压板配合工作。X方向、Y方向、Z方向可以分别对
应三维坐标系下的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向。
其中所述的配合工作通常可以是：加压头在驱动装置的驱动作用下向相应压板施
加力的作用，作用于压板上的力可以传递到位于试件盒装置内的岩样试件100上。
本发明用于模拟岩爆实验的加载装置还包括两个第一减摩结构71、两个第二减摩
结构81和两个第三减摩结构91。两个第一减摩结构71分别设置于第一加压头7和与之配合
工作的压板之间，用于减小二者之间的摩擦力；两个第二减摩结构81分别设置于第二加压
头8和与之配合工作的压板之间，用于减小二者之间的摩擦力；两个第三减摩结构91分别设
置于第三加压头9和与之配合工作的压板之间。
第一减摩结构71、第二减摩结构81和第三减摩结构91可以是滚珠或滚柱，所述滚
珠或滚柱可以设置于加压头上，也可以设置在与加压头配合工作的压板上，具体设置方式
可参见本发明试件盒装置中减摩结构的设置方式。下面详细介绍本发明用于模拟岩爆实验
的试件盒装置。
在本发明用于模拟岩爆实验的加载装置的其他实施方式中，也可以不设置第一减
摩结构71、第二减摩结构81和第三减摩结构91。
如图1、图2和图3所示，本发明用于模拟岩爆实验的试件盒装置，主要用于装载一
岩样试件100。本发明模拟岩爆实验的试件盒装置第一实施方式包括6块压板，分别是设置
于X方向的两块压板、设置Y方向的两块压板和设置Z方向的两块压板，6块压板组装成一具
有内部容置空间的长方体，岩样试件100容置于该容置空间内。
在其他一些实施方式中，本发明用于模拟岩爆实验的试件盒装置还包括减摩结
构。减摩结构主要用于减小相接触的两块压板之间的摩擦力，其设置于两个压板的相接触
的部分之间。减摩结构可以是多个滚珠，滚珠设置于相接触的任一压板的与其他压板相接
触的部，例如在压板上设置多个凹槽，每个凹槽内通过粘结等方式固定一个滚珠。固定于压
板上的多个滚珠的外端面与压板的内表面或第一端面平齐。此外，滚珠也可以由其他能减
小摩擦力的结构例如滚柱代替。
组成试件盒装置的6块压板之间的组合方式要保证在外力作用下压板均能够沿着
X方向、Y方向移动或Z方向上的压板能自由移动，这样可以防止岩暴试验过程中由于岩样试
件100较大的形变量而在各压板之间产生干涉。
组成试件盒装置的6块压板可以具有多种组合方式来避免各压板在岩暴试验过程
发生干涉，举例来说，每一块压板具有相反的内表面和外表面以及依次首尾相接的四个侧
面。6块压板中的任一块压板的相邻的一对侧面分别与剩余的5块压板中的两块压板的内表
面接触，该压板的相邻的另一对侧面分别与剩余的3块压板中的两块压板的外表面平齐。岩
样试件100放置在6块压板组成的容置空间内，并与各压板的内表面接触。
详细来说，本发明模拟岩爆实验的试件盒装置第一实施方式中，组成试件盒装置
的6块压板分别是正方体状的第一压板1、第二压板2、第三压板3、第四压板4、第五压板5和
第六压板6。
第一压板1具有相反的内表面11和外表面12以及连接于内表面11和外表面12并且
依次首尾连接的第一侧面、第二侧面14、第三侧面15、第四侧面16，其中第一侧面和第二侧
面14上分别设置有滚珠20。
第一压板1具有相反的内表面11和外表面12以及连接于内表面11和外表面12并且
依次首尾连接的第一侧面、第二侧面14、第三侧面15、第四侧面16，其中第一侧面和第二侧
面14上分别设置有滚珠20。
第二压板2具有相反的内表面21和外表面22以及连接于内表面21和外表面22并且
依次首尾连接的第一侧面23、第二侧面24、第三侧面25、第四侧面26，其中第一侧面23和第
二侧面24上分别设置有滚珠20。
第三压板3具有相反的内表面31和外表面32以及连接于内表面31和外表面32并且
依次首尾连接的第一侧面33、第二侧面34、第三侧面35、第四侧面，其中第一侧面33和第四
侧面上分别设置有滚珠20。
第四压板4具有相反的内表面41和外表面42以及连接于内表面41和外表面42并且
依次首尾连接的第一侧面43、第二侧面44、第三侧面45、第四侧面，其中第一侧面43和第四
侧面上分别设置有滚珠20。
第五压板5具有相反的内表面51和外表面52以及连接于内表面51和外表面52并且
依次首尾连接的第一侧面53、第二侧面、第三侧面55、第四侧面56，其中第一侧面53和第二
侧面上分别设置有滚珠20。
第六压板6具有相反的内表面61和外表面62以及连接于内表面61和外表面62并且
依次首尾连接的第一侧面63、第二侧面64、第三侧面65、第四侧面66，其中第一侧面63和第
二侧面64上分别设置有滚珠20。
如图2和图3所示，组装时，第五压板5水平放置，第一压板1的内表面11与第五压板
5的第二侧面上的滚珠20接触。
第二压板2的内表面21与第五压板5的第一侧面53上的滚珠20接触，第二压板2的
第一侧面23上的滚珠20与第一压板1的内表面11接触。
第三压板3的第四侧面上的滚珠20与第五压板5的内表面51接触，第三压板3的第
一侧面33上的滚珠20第二压板2的内表面21接触。
第四压板4的第四侧面上的滚珠20与第五压板5的内表面51接触，第四压板4的第
一侧面43与接触第三压板3的内表面31接触。
第六压板6的内表面61与第一压板1的第二侧面14上的滚珠20和第二压板2的第二
侧面24上的滚珠20接触；第六压板6的第一侧面63的滚珠20和第二侧面64上的滚珠20分别
与第三压板3的内表面31和第四压板4的内表面41接触。
从而第一压板1、第二压板2、第三压板3、第四压板4、第五压板5和第六压板6组成
了一个内部具有容置空间的正方体，岩样试件100容置于该容置空间内。
本发明模拟岩爆实验的试件盒装置第一实施方式中，第二压板2受到X方向的外力
沿着X方向(例如图1的水平方向)向左移动时，第三压板3可以随之移动，即第二压板2不会
受到阻碍；当第四压板4受到X方向的外力移动时，沿着X方向向右移动时，第一压板1可以随
之移动，即第四压板4的移动不会受到阻碍。同样道理，在Y方向(例如图1的竖直方向)上，第
一压板1、第三压板3也可以没有阻碍地自由移动；在Z方向(垂直于X方向和Y方向的方向)
上，第五压板5、第六压板6也可以没有阻碍地自由移动。因此，本发胆模拟岩爆实验的试件
盒装置第一实施方式中，无论在X方向、Y方向还是Z方向上，各压板的运动均没有干涉，因此
使用本发明试件盒装置进行模拟岩爆实验能获得更真实的岩样试件100的力学性质。本发
明试件盒装置不但适用于岩样试件100是变形量较小的硬岩，特别适用于岩样试件100是变
形量较大的软岩。
本发明的用于模拟岩爆实验的试件盒装置及加载装置，可用于模拟岩爆实验、单
轴压缩实验、张拉实验、剪切实验、振动引起煤层瓦斯渗出的实验、岩石低循环应变控制疲
劳实验、静水压实验、真三轴实验等多种针对岩样试件的实验。
以上实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”，以描述图标的一个组
件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述
在“上”的组件将会成为在“下”的组件。用语“一个”、“一”、“所述”和“至少一个”用以表示存
在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在
内的意思并且是指除了列出的组成部分之外还可存在另外的组成部分等“第一”、“第二”、
“第三”仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本文提出的部件的详细结构和布置方
式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修
改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本文公开和限定的本发明延伸到文中和/或附
图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成
本发明的多个可替代方面。本文所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，
并且将使本领域技术人员能够利用本发明。