CN103344493A - 基于声发射原理的原岩应力测量方法和测试装置 - Google Patents

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唐永志
孟祥瑞
方昌才
高召宁
王向前
马文伟
韩东坡
马淑胤
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Abstract

本发明公开一种基于声发射原理的原岩应力测量方法,在地下需要测试空间围岩打一钻孔,定向后套取岩芯,封存后在实验室内在6个特殊方向进行二次取芯,制作标准试件;采用RMT-150B岩石力学实验系统配合DS2-8B增强型声发射系统监测试件的凯塞效应点;利用弹性理论间接测量出测试地点的原岩应力大小和方向。本发明的显著优点:减少地下实验施工的时间和工序,提高原岩应力测试的可靠性和成功率,该方法与传统的应力解除法、水压致裂法等相比,具有简单、直观、相对经济的优点,便于大量测试,以寻求区域性原岩应力的分布特征和规律。

Description

基于声发射原理的原岩应力测量方法和测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种方便、快速、准确的原岩应力测试方法,具体的说是一种采用声发射原理的巷道原岩应力的测试方法,属于岩石力学测试领域。
背景技术
[0002] 原岩应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力,也称地应力、岩体初始应力、绝对应力等,广义上也指地球体内的应力。它包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
[0003] 李四光教授是中国原岩应力测量的创始人。早在20世纪40年代就提出地壳中水平运动为主,水平应力起主导作用。他提出,地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力,不断运动发展的原因;地壳各部分所发生的一切变形,包括破裂,都是原岩应力作用的反映;剧烈的原岩应力活动会引起地震。因此,原岩应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面,是值得予以重视的。
[0004] 原岩应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力,是确定工程岩土力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。
[0005] 原岩应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料的储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。
[0006]目前进行原岩应力的方法主要有直接测量法和间接测量法两大类,直接测量方法包括扁千斤顶法、水压致裂法等,间接测量方法主要有应力解除法等,这些方法中一般需要进行大量的钻孔、装配测试传感器和测定等工程工序,工程量大,如果在地下空间进行原岩应力测试,空间相对狭小,施工不方便,也不易实现大规模、大区域内的原岩应力测量。
[0007] 本发明基于声发射原理进行原岩应力测试的一种方法。声发射发又称凯塞效应法,是岩石材料的凯塞效应来测量岩体原岩应力的一种方法。材料在受到外载荷作用时,期内部储存的应变能快速释放产生弹性波并发生声响的现象。1950年,德国学者凯塞发现,受单向拉伸作用的材料在应力未达到材料的最大先期应力时,不会出现明显的声发射现象,但应力达到或者超过历史上所受的最大值之后,声发射率明显增加,这种现象称为凯塞效应。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点就是凯塞效应点,凯塞效应点的应力即为材料在历史上受到的最大应力。后来,古德曼在20世纪60年代初通过实验验证了材料具有凯塞效应,从而为应用这一技术测定岩石应力奠定了基础,根据凯塞效应,如果从原岩中取回定向岩芯制成岩石试件,通过对加工好的取自不同方向的岩石试件进行加载声发射实验,并测定凯塞效应点,即可找出每个岩石试件先前受到的最大应力值,进而可以求出取样点的三维应力状态。发明内容
[0008] 本发明解决的技术问题在于提供一种适合于地下空间的原岩应力测量方法,通过该方法,可以间接测量获取岩体的原岩应力值,而且,只需要钻取I个钻孔的岩芯,便可以测量出该测点区域的三维应力状态,特别适用于煤矿巷道和工作面围岩的原岩应力分布和围岩稳定性研究。
[0009] 一种基于声发射原理的原岩应力测试方法,包括以下步骤:
[0010] (I)在巷道围岩体内钻一孔到测试点处;
[0011 ] ( 2)利用孔内岩芯的水平定向系统,对将套取的岩芯进行水平定向,建立三维坐标,钻孔轴向为X方向,钻孔径向方向为y方向,沿岩芯中轴的水平平面作为Xoy平面,垂直向上为z方向;
[0012] (3)定向好的岩芯进行封存,在实验室内取6个特殊方向(x、y、z、x45° y、y45° z、z45° x)进行二次取芯,制作成6个直径50mm,高IOOmm的圆柱体试件,条件许可情况下,每个方向可另加工3个试件;
[0013] (4)采用RMT-150B岩石力学实验系统配合DS2-8B增强型声发射系统,采用位移控制,加载速度为0.005mm/s,为了消除试件端部与压力盘之间因摩擦而产生的噪声,实验中要在试件两端加垫层材料隔噪声减小摩擦,声发射传感器采用声发射放大器、信号滤波器,放大器增益为40DB,频率范围5KHz-1500KHz,采样频率2500kHz,参数间隔200 μ S,传感器拾取的声发射信号经前置放大和主放后由声发射仪进一步处理成声发射参数(事件累计、事件速率、振铃计数、能量累计等)。根据实验需要采集RMT-150B岩石力学实验系统的轴向力与时间,DS2-8B增强型声发射系统的压力与声发射数,确定岩石时间的凯塞效应点及对应的轴向力;
[0014] (5 )将上述测试结果带入到相关理论公式,计算出6个应力分量和3个主应力大小和方向结果。
[0015] 本发明进行原岩应力测量和现在所有方法相比,地下空间进行测量时,只需在测量地点进行一次水平取芯便能完成现场工作,方法简单,余下少量的测量和计算工作均在实验室内完成,加快了原岩应力测量的工序进行,减少了在地下空间的工作时间,大大减少了测量费用,特别适合大面积多点区域内的原理应力测量,而且比较其它原岩应力的测量方法,成功率明显提高,使得测量工作更易控制和操作,因此本发明是原岩应力测量中一种施工方便、工期缩短、成功率高的原岩应力测量方法。
附图说明
[0016] 图1为本发明的基于声发射原理的原岩应力测试方法的钻孔岩芯水平定向系统;
[0017] 图2为本发明实验室二次取芯的方向图
[0018] 图3为本发明岩体原岩应力测点的一般应力状态
[0019] 图4为本发明岩体原岩应力测点的原岩应力状态
[0020] 具体实施方法:
[0021] (I)从地下围岩中钻取的岩芯,定向后进行实验室二次取芯,分别沿X、y、z、x45° y、y45° z、z45° x六个方向进行二次取芯,制作成直径50mm,高100mm的圆柱体试件;
[0022] (2)完成实验室取芯、单轴压缩实验及声发射是试验后应用弹性力学理论计算出测点的地应力大小和方向。
[0023] 地下岩体中取一微小的四面体单元0ABC,其中0A、OB、OC分别与上述的x、y、z方向的线段,O点的一般应力状态,平面ABC的外法线方向为N,N与X、y、z方向余弦分别为1、m、n,其面力P在ABC平面的正应力为σ N,则在x、y、z方向上分量为 [0024]
Figure CN103344493AD00051
[0025] ABC平面上正应力
[0026] σ N=Pxl+Pym+Pzn (2)
[0027] 实测的x、y、z、x45° y、y45° z、z45° x6个方向试件的应力分量σ Νχ、σ Ny、σ取、
0 Nx45y、0 Ny45z、0 Nz45x
带入公式中便可求出O点的一般应力状态σ χ、σ y、σ ζ、τ xy、τ yx、τ ζχ。
[0028]
Figure CN103344493AD00052
[0029] 推算至主应力状态,计算出三维主应力为
[0030]
Figure CN103344493AD00053
[0031] 其中
[0032]
Figure CN103344493AD00054
[0033] 将三个主应力值带入
[0034]
Figure CN103344493AD00055
[0035] 可以求出主应力方向余弦l、m、n及方向。

Claims (4)

1.一种基于声发射原理的原岩应力测量方法,其特征在于:测量方法的具体步骤包括 (1)在巷道围岩体内钻一孔到测试点处; (2)利用孔内岩芯的水平定向系统,对将套取的岩芯进行水平定向; (3)定向好的岩芯进行封存,在实验室内取6个特殊方向的圆柱体试件; (4)采用RMT-150B岩石力学实验系统配合DS2-8B增强型声发射系统,确定岩石试件的凯塞效应点及对应的轴向力; (5)将上述测试结果带入到相关理论公式,计算出6个应力分量和3个主应力大小和方向结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射原理的原岩应力测量方法,其特征在于:在地下空间围岩钻取岩芯时采用图1的水平定向系统,保证地下实验取芯和实验室实验的绝对方向一致性。
3.根据权利要求1所述原岩应力测量方法,其特征在于在六个不同方向取6个直径50mm,高IOOmm的圆柱体试件。
4.根据权利要求1所述原岩应力测量方法,其特征在于根据6个试件的岩石力学与声发射实验,根据弹性理论,间接计算出测试点的原岩应力的一般应力状态表示为
Figure CN103344493AC00021
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