CN103760024A

CN103760024A - 基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法

Info

Publication number: CN103760024A
Application number: CN201410042870.5A
Authority: CN
Inventors: 赵星光; 李鹏飞; 马利科; 谢敬礼; 宗自华; 苏锐; 王驹
Original assignee: Beijing Research Institute of Uranium Geology
Current assignee: Beijing Research Institute of Uranium Geology
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: CN103760024B

Abstract

本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法。目的是准确识别启裂强度值。该方法包括：制备圆柱形的岩石试件；将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在该岩样中部安装声发射传感器；对岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与加载过程同步进行，实时采集轴向应力和累计声发射撞击数数据；获取累计声发射撞击数随时间的变化曲线；绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；根据关系曲线计算累计声发射撞击数差值；绘制累计声发射撞击数差值与轴向应力的关系图，图中累计声发射撞击数差值峰值所对应的应力即为岩石的启裂强度。该方法去除了用户的主观判断，保证了求解的唯一性。

Description

基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法

技术领域

本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法。

背景技术

岩石受力破坏过程是其内部微破裂萌生、扩展和贯通的过程。其在压缩条件下的损伤和破坏过程可主要划分为几个重要阶段：(1)裂隙闭合；(2)弹性变形；(3)裂隙初始；(4)裂隙稳定发展；(5)裂隙贯通；(6)非稳定裂隙发展；(7)破坏；(8)破坏后阶段。其中，裂隙初始所对应的应力水平称为岩石启裂强度。启裂强度（σci）是岩石在压缩破坏过程中的重要特征应力值之一，合理确定该应力值对于描述岩石的力学行为以及预测地下工程开挖边界附近的劈裂破坏具有重要意义。目前，国际岩石力学与工程学会（ISRM）建立了劈裂破坏预测（Commission on Spall Predictions）委员会，该委员会的重要目标之一是提出岩石启裂强度的确定方法。然而到目前为止，国际上还尚未形成明确的建议方法来确定岩石在单轴压缩条件下的启裂强度。

现有测定岩石在单轴压缩条件下启裂强度的方法主要包括应力应变法和声发射法两类。应力应变法是利用粘贴在岩石试件表面的轴向和横向应变片，或安装在岩石试件上的纵向和横向引伸计，在单轴压缩过程中记录轴向应力，并分别测量其两个方向的应变，然后绘制轴向应力和应变（轴向、横向和体积应变）关系曲线，并在体积应变-轴向应力曲线上做切线，当曲线偏离切线时对应的轴向应力即为岩石的启裂强度。然而，应力应变法强烈依赖于体积应变与轴向应力关系曲线的形态，当电压信号不稳定而导致应力-应变曲线出现波动时，便不能准确判别偏离线点的位置。此外，该方法在很大程度上具有主观性，其强烈依赖于用户对此偏离点的肉眼判断，由此得出的启裂强度值便不再客观。研究表明，岩石破裂过程中产生大量的声发射信息，采用声发射监测技术，可实时监测岩石材料内部微破裂的动态演化，根据岩石声发射信号的变化可反映岩石的变形和破坏的基本特征，并建立声发射信号和岩石破裂过程的相互关系，以此研究岩石的破坏机制。在声发射方法中，多采用以柱状图显示的实时声发射参数的变化来确定岩石的启裂强度。其判读的依据是：在单轴加载初始阶段，声发射信号微弱，随着轴向压力的增大，岩石开始出现一次显著的声发射事件，此时对应的轴向应力即为岩石的启裂强度。然而，由于声发射监测信号对于岩石受力响应的高度敏感性以及背景噪声的干扰，岩石在孔隙裂隙压密阶段和弹性变形阶段也可能检测出较强的声发射信号，从而干扰了对于启裂强度值的准确识别。因此，本发明就是在这种情况下，开发了一种基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，对启裂强度值进行准确识别。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，依次包括以下步骤：

步骤S1：制备圆柱形的岩石试件；

步骤S2：将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在该岩样中部安装声发射传感器；

步骤S3：对岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与加载过程同步进行，实时采集轴向应力和累计声发射撞击数数据；

步骤S4：获取累计声发射撞击数随时间的变化曲线；

步骤S5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；

步骤S6：根据关系曲线计算累计声发射撞击数差值；

步骤S7：绘制累计声发射撞击数差值与轴向应力的关系图，图中累计声发射撞击数差值峰值所对应的应力即为岩石的启裂强度。

如上所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其中：所述步骤S6具体分为：

步骤S（6.1）找出求解岩石启裂强度的上限点：根据步骤S5所得结果，从关系曲线中下凹阶段的任一点开始至曲线末点，作曲线上各点与原点连线，取连线斜率最小值点作为求解岩石启裂强度的上限点；

步骤S（6.2）：找出求解岩石启裂强度的下限点：根据步骤S6所得结果，从曲线上记录的第一个点开始至上限点前一点结束，作各点与上限点连线，取连线斜率最小值点为求解岩石启裂强度的下限点；

步骤S（6.3）：根据步骤S（6.1）和步骤（S6.2）所得结果，连接关系曲线中的上限点与下限点的连线作为参考线；

步骤S（6.4）：根据步骤S（6.3）所得结果，计算关系曲线上的上下限之间累计声发射撞击数与相同应力水平下参考线对应的累计声发射撞击数之差，即累计声发射撞击数差值。

如上所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其中：所述步骤S4中的变化曲线包括如下三种不同形态：

（a）曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形；

（b）随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形；

（c）随后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形。

如上所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其中：所述岩石试件的高度与直径比为2:1。

如上所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其中：所述累计声发射撞击数数据通过在所述岩石试件上安装声发射传感器采集，使声发射传感器压电陶瓷表面与岩石试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂。

如上所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其中：所述压力机为长春朝阳试验仪器有限公司生产的型号为TAW-2000微机控制电液伺服岩石力学试验机。

本发明为识别岩石在压缩条件下的启裂强度提供了一种新方法，其特点如下：1、不再使用应变测量，而是利用声发射监测和常规压缩试验为技术手段，以轴向应力与累计声发射撞击数的变化关系为判读依据；2、该方法去除了用户的主观判断，保证了求解的唯一性。3、该方法不必将岩石试件加压至宏观破坏，从而节省了试验时间，简单高效，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法的流程图；

图2为本发明中单轴压缩条件下声发射传感器的位置图；

图3为本发明中单轴压缩条件下中细粒含斑黑云母花岗闪长岩累计声发射撞击数随时间的变化关系图;

图4为本发明中单轴压缩条件下利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解中细粒含斑黑云母花岗闪长岩启裂强度上限图;

图5为本发明中单轴压缩条件下利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解中细粒含斑黑云母花岗闪长岩启裂强度下限图;

图6为本发明中单轴压缩条件下中细粒含斑黑云母花岗闪长岩轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线中的上下限区间局部放大图;

图7为本发明中单轴压缩条件下中细粒含斑黑云母花岗闪长岩轴向应力与累计声发射撞击数差值的关系曲线图；

图8为本发明中单轴压缩条件下含斑中粒黑云母二长花岗岩累计声发射撞击数随时间的变化关系图;

图9为本发明中单轴压缩条件下试件利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解含斑中粒黑云母二长花岗岩启裂强度上限图;

图10为本发明中单轴压缩条件下利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解含斑中粒黑云母二长花岗岩启裂强度下限图;

图11为本发明中单轴压缩条件下含斑中粒黑云母二长花岗岩轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线中的上下限区间局部放大图;

图12为本发明中单轴压缩条件下含斑中粒黑云母二长花岗岩轴向应力与累计声发射撞击数差值的关系曲线图；

图13为本发明中单轴压缩条件下粗粒花岗闪长岩累计声发射撞击数随时间的变化关系图;

图14为本发明中单轴压缩条件下利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解粗粒花岗闪长岩启裂强度上限图;

图15为本发明中单轴压缩条件下利用轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线求解粗粒花岗闪长岩启裂强度下限图;

图16为本发明中单轴压缩条件下粗粒花岗闪长岩轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线中的上下限区间局部放大图;

图17为本发明中单轴压缩条件下粗粒花岗闪长岩轴向应力与累计声发射撞击数差值的关系曲线图；

图中，1.岩样，2.声发射传感器，3.凡士林。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，依次包括以下步骤：

步骤S1：对现场钻取的完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩石试件；

步骤S2：将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在该岩样中部安装声发射传感器，通常使声发射传感器压电陶瓷表面与试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂；

步骤S4：获取累计声发射撞击数随时间的变化曲线。在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙处于压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束；

步骤S5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；

步骤S6：根据关系曲线计算累计声发射撞击数差值；具体分为：

步骤S（6.4）：根据步骤S（6.3）所得结果，计算关系曲线上的上下限之间累计声发射撞击数与相同应力水平下参考线对应的累计声发射撞击数之差，即累计声发射撞击数差值；

下面对不同岩石进行操作说明计算过程：

（一）为单轴压缩条件下采用累计声发射撞击数确定中细粒含斑黑云母花岗闪长岩的启裂强度，现进行以下操作：

（1）对新疆高放废物地质处置库预选区钻取的完整岩芯进行加工，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm，岩石类型为中细粒含斑黑云母花岗闪长岩。

（2）将岩石试件安装在压力机的试样台上，压力机型号为TAW-2000（长春朝阳试验仪器有限公司生产）。

（3）如图2所示，在该岩样1中部安装1个声发射传感器2，传感器型号为：Micro30（美国物理声学公司生产），使声发射传感器压电陶瓷表面与岩样表面直接接触，接触面有一薄层凡士林3作为耦合剂。

（4）采用压力机的荷载控制模式对试件进行单轴加载，加载速率设为0.75MPa/s，保持声发射监测系统记录与压力机加载过程同步，声发射监测系统型号为：PCI-2（美国物理声学公司生产）。

（5）如图3所示，在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线（横轴为时间，纵轴为累计声发射撞击数），在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束。

（6）如图4所示，根据步骤（5）所得结果，绘制轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线图。

（7）如图4所示，从关系曲线a中下凹阶段的任一点b开始至曲线末点c结束，作这些数据点与原点d的连线，取连线斜率最小值点e为求解启裂强度的上限点；

（8）如图5所示，从曲线第一个点a开始至上限点的前一数据点结束，作这些数据点与上限点b连线，取连线斜率最小值点c为求解启裂强度的下限点；

（9）如图6所示，连接曲线中的下限点a与上限点b，形成一条直线c，即为参考线。

（10）如图6所示，在关系曲线上的求解启裂强度的上下限之间，计算累计声发射撞击数值与相同应力水平下参考线对应的累计声发射撞击数值之差，即为累计声发射撞击数差值d；

（11）如图7所示，做出上限点a与下限点b之间累计声发射撞击数差值与轴向应力的关系图，图中累计声发射撞击数差值的峰值所对应的应力即为岩石的启裂强度d。

（二）为单轴压缩条件下采用累计声发射撞击数确定含斑中粒黑云母二长花岗岩的启裂强度，现进行以下操作：

（1）对新疆高放废物地质处置库预选区钻取的完整岩芯进行加工，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm，岩石类型为含斑中粒黑云母二长花岗岩。

（5）如图8所示，在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线（横轴为时间，纵轴为累计声发射撞击数），在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束。

（6）如图9所示，根据步骤（5）所得结果，绘制轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线图。

（7）如图9所示，从关系曲线a中下凹阶段的任一点b开始至曲线末点c结束，作这些数据点与原点d的连线，取连线斜率最小值点e为求解启裂强度的上限点；

（8）如图10所示，从曲线第一个点a开始至上限点的前一数据点结束，作这些数据点与上限点b连线，取连线斜率最小值点c为求解启裂强度的下限点；

（9）如图11所示，连接曲线中的下限点a与上限点b，形成一条直线c，即为参考线。

（10）如图11所示，在关系曲线上的求解启裂强度的上下限之间，计算累计声发射撞击数值与相同应力水平下参考线对应的累计声发射撞击数值之差，即为累计声发射撞击数差值d；

（11）如图12所示，做出上限点a与下限点b之间累计声发射撞击数差值与轴向应力的关系图，图中累计声发射撞击数差值的峰值所对应的应力即为岩石的启裂强度d。

（三）为单轴压缩条件下采用累计声发射撞击数确定粗粒花岗闪长岩的启裂强度，现进行以下操作：

（1）对甘肃北山高放废物地质处置库预选区钻取的完整岩芯进行加工，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm，岩石类型为粗粒花岗闪长岩。

（5）如图13所示，在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线（横轴为时间，纵轴为累计声发射撞击数），在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束。

（6）如图14所示，绘制轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线图。

（7）如图14所示，从关系曲线a中下凹阶段的任一点b开始至曲线末点c结束，作这些数据点与原点d的连线，取连线斜率最小值点e为求解启裂强度的上限点；

（8）如图15所示，从曲线第一个点a开始至上限点的前一数据点结束，作这些数据点与上限点b连线，取连线斜率最小值点c为求解启裂强度的下限点；

（9）如图16所示，连接曲线中的下限点a与上限点b，形成一条直线c，即为参考线。

（10）如图16所示，在关系曲线上的求解启裂强度的上下限之间，计算累计声发射撞击数值与相同应力水平下参考线对应的累计声发射撞击数值之差，即为累计声发射撞击数差值d；

（11）如图17所示，做出上限点a与下限点b之间累计声发射撞击数差值与轴向应力的关系图，图中累计声发射撞击数差值的峰值所对应的应力即为岩石的启裂强度d。

Claims

1.基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，依次包括以下步骤：

步骤S1：制备圆柱形的岩石试件；

步骤S4：获取累计声发射撞击数随时间的变化曲线；

步骤S5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；

步骤S6：根据关系曲线计算累计声发射撞击数差值；

2.如权利要求1所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其特征在于：所述步骤S6具体分为：

3.如权利要求1或2所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其特征在于：所述步骤S4中的变化曲线包括如下三种不同形态：

（b）随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形；

4.根据权利要求3所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其特征在于：所述岩石试件的高度与直径比为2:1。

5.根据权利要求4所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其特征在于：所述累计声发射撞击数数据通过在所述岩石试件上安装声发射传感器采集，使声发射传感器压电陶瓷表面与岩石试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂。

6.根据权利要求5所述的基于累计声发射撞击数客观确定岩石启裂强度的方法，其特征在于：所述压力机为长春朝阳试验仪器有限公司生产的型号为TAW-2000微机控制电液伺服岩石力学试验机。