CN103969121B - 一种弹性应变能指标检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性应变能指标检测系统及方法，该系统包括用于加卸载的岩石力学试验机及其控制系统，还包括声发射监测系统，所述声发射监测系统经导线连接有多个声发射传感器，所述声发射传感器安装于岩样试件上，以通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件的荷载是否达到岩石峰值强度的80%以上（或岩样试件进入塑性变形范围），基于此计算弹性应变能指标并对岩爆倾向性进行判断。该系统及方法有利于提高弹性应变能指标检测结果的准确性和可靠性。

Description

一种弹性应变能指标检测系统及方法

技术领域

本发明涉及岩爆倾向性评价技术领域，特别是一种弹性应变能指标检测系统及方法。

背景技术

岩爆是地下开挖活动诱发的岩石的强烈破坏，在这种破坏过程中伴随着弹性应变能的突然释放并转变为功而强烈地冲击开挖或采掘工作面、采掘设备和作业人员。岩爆是高应力地下环境中最为严重的工程地质灾害之一。因此，对于大深度或高应力环境下的地下工程，都会对是否产生岩爆灾害做基本的评价，以指导工程施工和安全生产。弹性应变能指标方法由于其概念明确、方法简单，长期以来一直是岩爆倾向性评判中应用最多的一种方法。该方法要在实验中测定岩石在接近峰值强度时卸载所释放的弹性应变能与损耗的弹性应变能，很明显采用该方法时卸载点越接近峰值强度点，测试所得结果对于岩爆倾向性的评价越准确。

国内学者对弹性应变能指标法的研究并不多，而且主要集中在理论分析方面。但是在试验方面，特别是确定加载是否接近岩石的峰值强度非常困难。现有的方法或者由于远离峰值强度点，使得采用测试的结果进行评判会导致很大的偏差；或者加载达到峰值强度导致岩石直接破坏而失败。在以往的研究中，人们大多是根据同类岩样自身强度大小的类比，根据经验人为确定卸载时的荷载点，但由于岩石材料的复杂性和其强度的不稳定性，人为确定卸载点往往是盲目的，其不科学性会导致结果的不准确性。在国内一些发表的论文中，也未见介绍如何确定卸载点的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性应变能指标检测系统及方法，该系统及方法有利于提高弹性应变能指标检测结果的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种弹性应变能指标检测系统，包括用于加卸载的岩石力学试验机及其控制系统，还包括声发射监测系统，所述声发射监测系统经导线连接有多个声发射传感器，所述声发射传感器安装于岩样试件上，以通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件的荷载是否达到岩石峰值强度的80%以上。

进一步的，所述声发射监测系统连接有至少六个声发射传感器，其中四个声发射传感器分两组，分别安装于方形柱状的岩样试件的一对对立侧面的上下端部，另外两个声发射传感器安装于所述岩样试件的另一对对立侧面的中部。

本发明还提供了一种弹性应变能指标检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：采集若干具有代表性的岩样，按国际岩石力学学会的制作标准制作成方形柱状的岩样试件；

步骤S2：选取若干表面无明显节理裂隙的岩样试件，采用岩石力学试验机对选取的岩样试件进行单轴抗压强度试验，得到各岩样试件的单轴抗压强度，然后计算出岩样试件的平均抗压强度，将所述平均抗压强度作为岩石峰值强度；

步骤S3：另取若干岩样试件，分别对各岩样试件进行如下试验：在岩样试件一对对立侧面的上下端部安装四个声发射传感器，在其另一对对立侧面的中部安装两个声发射传感器，然后将各声发射传感器连接至声发射监测系统；

步骤S4：通过岩石力学试验机采用纵向位移控制的单轴加载方式对岩样试件缓慢施加荷载；

步骤S5：在加载过程中，通过声发射监测系统监测声发射事件数的变化趋势，当声发射事件数发生突增时，即判定当前加载水平达到了岩石峰值强度的80%以上，此时停止加载，并采用纵向位移控制的单轴卸载方式开始卸载，卸载速率与加载速率保持一致；

步骤S6：卸载至所述岩石峰值强度的5%，试验结束，岩石力学试验机自动记录并保存加卸载过程中的相关应力应变数据；

步骤S7：通过步骤S4~S6采集到的数据，计算得到所述岩样试件的弹性应变能、塑性应变能；

步骤S8：重复步骤S3~S7，直至完成对所有岩样试件的试验，并获得所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能；

步骤S9：通过获得的所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能，计算弹性应变能指标并对岩爆倾向性进行判断。

进一步的，在步骤S3中，安装在岩样试件对立侧面上下端部的四个声发射传感器，传感器边缘离岩样试件的上下端面的距离不小于1cm。

进一步的，在步骤S5中，当声发射事件数在一设定时间内增大为原来的n倍时，即判定声发射事件数发生突增。

本发明的有益效果是提供了一种弹性应变能指标检测系统及方法，该系统及方法通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件是否接近峰值强度，更准确地确定接近峰值强度处的卸载点，在此基础上采集相关数据来计算弹性应变能，提高了弹性应变能指标检测结果的准确性，从而大大提高了岩爆倾向性评价的准确性、合理性和客观性，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构示意图。

图2是本发明实施例中弹性应变能指标法的单轴加卸载曲线图。

图3是本发明实施例中凝灰岩的时间-应力-声发射对应关系图。

图4是本发明实施例中花岗岩的时间-应力-声发射对应关系图。

具体实施方式

本发明弹性应变能指标检测系统，如图1所示，包括用于加卸载的岩石力学试验机1及其控制系统2，还包括声发射监测系统3，所述声发射监测系统经导线连接有多个声发射传感器4，所述声发射传感器安装于岩样试件5上，以通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件的荷载是否达到岩石峰值强度的80%以上（或岩样试件进入塑性变形范围）。

在本发明较佳实施例中，岩石力学试验机为MTS815型液压伺服岩石力学试验机，该装置是全数字计算机自动控制，基于Windows平台的可视化操作软件，可记录荷载、位移、应力、应变值，并绘制载荷-位移、应力-应变曲线等。监测系统为智能声发射测试仪，可对声发射事件数、能量、撞击数、幅值、波形等进行实时监测和记录。

参见图1，所述声发射监测系统连接有六个声发射传感器4，其中四个声发射传感器分两组，分别安装于方形柱状的岩样试件5的一对对立侧面的上下端部，另外两个声发射传感器安装于所述岩样试件的另一对对立侧面的中部。

本发明还提供了与上述弹性应变能指标检测系统对应的弹性应变能指标检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据现场实际地质情况，采集若干具有代表性的岩样，按国际岩石力学学会的制作标准制作成方形柱状的岩样试件。具体的，所述岩样试件的长×宽×高为：50mm×50mm×100mm，且岩样试件两端受压面进行打磨处理，以减小端部摩擦，提高检测准确性，从而使其尺寸规格、两端平行度等符合国际岩石力学学会的制作标准。

岩样试件制作精度符合以下要求：

（1）试件两端面不平整度误差不大于0.05mm；

（2）沿试件高度直径的误差不大于0.3mm；

（3）试件端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于0.25°。

步骤S2：选取若干表面无明显节理裂隙的岩样试件，采用MTS液压伺服岩石力学试验机分别对选取的岩样试件进行单轴抗压强度试验，得到各岩样试件的单轴抗压强度，然后计算出岩样试件的平均抗压强度，将所述平均抗压强度作为岩石峰值强度。

步骤S3：另取若干岩样试件，分别对各岩样试件进行如下试验：在岩样试件一对对立侧面的上下端部安装四个声发射传感器，在其另一对对立侧面的中部安装两个声发射传感器，然后将各声发射传感器连接至声发射监测系统。

安装过程中，传感器和岩样试件的接触面抹上黄油作为耦合介质，以增强耦合效果，减少声发射信号传递损失。

安装在岩样试件对立侧面上下端部的四个声发射传感器，传感器边缘离岩样试件的上下端面的距离不小于1cm，防止岩样试件压坏时对传感器造成损坏。

做好准备工作以后，进行一次断铅试验，使用直径为0.5mm的自动铅笔在岩样试件表面倾斜压迫，使其断裂，由于石墨较脆，断裂时产生声发射并通过岩样试件传递到六个传感器上。若六个传感器都接收到明显信号，则说明传感器与岩样试件耦合良好，若部分传感器接收到的信号较弱，则说明耦合较差，要重新调整传感器或者添加黄油，直到耦合良好才能开始检测。

步骤S4：通过岩石力学试验机采用纵向位移控制的单轴加载方式对岩样试件缓慢施加荷载，加载速率为0.15mm/min。

步骤S5：在持续平稳、缓慢加载过程中，通过声发射监测系统监测声发射事件数的变化趋势，当声发射事件数发生突增时，即判定当前加载水平达到了岩石峰值强度的80%以上（或岩样试件进入塑性变形范围），此时停止加载，并采用纵向位移控制的单轴卸载方式开始卸载，卸载速率与加载速率保持一致。

其中，声发射事件数发生突增的判定方法为：当声发射事件数在一设定时间内增大为原来的n倍（n>1）时，即判定声发射事件数发生突增。

步骤S6：卸载至所述岩石峰值强度的5%，试验结束，岩石力学试验机自动记录并保存加卸载过程中的相关应力应变数据。

步骤S7：通过步骤S4~S6采集到的数据，计算得到所述岩样试件的弹性应变能、塑性应变能。

步骤S8：重复步骤S3~S7，直至完成对所有岩样试件的试验，并获得所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能。

步骤S9：通过获得的所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能，计算弹性应变能指标并对岩爆倾向性进行判断。

参见图2，在单轴加卸载条件下，初次加载到岩石峰值强度的80%以上，然后卸载到岩石峰值强度的5%左右。此时卸载所释放的弹性应变能φ_sp与损耗的塑性应变能φ_st的比值，称为弹性能量指数W_et。

W_et=φ_sp/φ_st

其中，f₁、f₂分别为加载曲线、卸载曲线，φ_sp、φ_st分别为弹性应变能、塑性应变能，ε_e、ε_p分别为弹性应变、塑性应变，R_b为岩石峰值强度。

弹性能量指数W_et值越大，说明岩石破坏时弹性应变能占的比重越大，岩石脆性越大，破坏时释放的能量越大，从而发生不稳定性破坏的可能性也越大，岩爆倾向性就越高。

岩爆倾向性判断依据为：

W_et＜2.0 无岩爆

2.0≤W_et＜5.0 中等岩爆

5.0≤W_et 强烈岩爆

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

京福高铁北武夷山段隧道所在地区以中低丘陵地貌为主。隧道进口段附近埋深为459.9～644.3m，隧道出口埋深为596.9～673m，隧道中部埋深为644.3～1100m，属于高应力区，开挖过程洞壁有岩爆发生，且有岩块弹出。

本实施例以武夷山高铁隧道工程岩体为背景，在岩石加卸载中，采用声发射监测系统对加卸载过程进行监测，以岩石接近峰值强度前的声发射异常来评断是否接近峰值强度点，并据此确定卸载点。在卸载完之后立即进行了加载破坏性试验，验证了这一方法的有效性和可靠性。

本实施例采集的岩石样品为隧道的两种主要围岩体，一种是凝灰岩，一种是花岗岩，埋深均为1100m，制作成的岩样尺寸为100×50×50mm。本实施例采用纵向应变控制的单轴加卸载方式对样品施加荷载，加载速率为0.15mm/min。当加载到岩石峰值强度的80%以上时，卸载，再加载直至试样破坏。

本实施例采用两种方式进行对比。第一种是先进行岩块的单轴抗压强度试验，在初步判定岩石强度的基础上，采用人工经验及观察受压试样受力时的外观特征来判定岩样是否到达岩石峰值强度的80%，而采取卸载措施。第二种是采用本发明系统及方法，在岩样四个侧面上贴上六个传感器，通过监测声发射数量的变化趋势来判定岩样是否接近峰值强度而采取卸载措施。两种方式效果好坏由初次加载峰值强度与再次加载直至破坏的岩石抗压强度的比值判断。

1、人工观察方案结果

MTS815型液压伺服岩石力学试验机放置岩样处外围有防弹玻璃保护，可以较近距离观察岩石表观裂纹的开展、发出的声响，并结合先前做的单轴抗压强度试验的结果，大致判定初次加载是否达到岩石强度的80%以上。结果如表2所示。

从上述结果σ/R_b的比值可以看出，采用人工观测的方法判断岩石峰值强度是否到来，总体来说偶然性较大，效果不理想。这是由于岩石物质组成及节理裂隙分布相对复杂，加上历史应力的影响，导致了岩石强度具有较大的离散性。当岩样某一角落破坏时或者表面产生明显裂缝时，并不意味着岩样已经到达抗压强度，例如Hg-12在压应力为163Mpa时试样有小块弹射，仍然可以继续加压。而一部分岩石裂纹扩展至表面时，岩石内部可能已经破坏严重，甚至超过了其抗压强度，这时将发生突然崩裂，肉眼无法观测到破坏前兆，如N-6的突然炸裂。

2、本发明系统及方法监测结果

如图3、4所示，实时监测过程中，当N-9凝灰岩应力达到207Mpa时，声发射数量由单位时间21个急增到53个，鉴于凝灰岩抗压强度均值为221.11Mpa，启动卸载程序，再次加载到217.37Mpa时，声发射由68激增到125，试样产生纵向裂缝并炸裂。

当Hg-16花岗岩应力达到150.96Mpa时，声发射数量由单位时间40急增到110，鉴于凝灰岩抗压强度均值为130.66Mpa，启动卸载程序，再次加载到212.03Mpa时，声发射由31激增到81，试样产生纵向裂缝破坏。之所以没有在130Mpa附近卸载，是因为此时声发射事件数不增反降，说明岩块内部损伤不多，还可以继续累积能量。

可见，本发明系统及方法通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件是否接近峰值强度，能够更准确地确定接近峰值强度处的卸载点，从而提高弹性应变能指标检测结果的准确性和可靠性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种弹性应变能指标检测方法，其特征在于，弹性应变能指标检测系统包括用于加卸载的岩石力学试验机、控制系统和声发射监测系统，所述声发射监测系统经导线连接有多个声发射传感器，所述声发射传感器安装于岩样试件上，以通过监测声发射事件数的变化趋势来判定岩样试件的荷载是否达到岩石峰值强度的80%以上；所述声发射监测系统连接有至少六个声发射传感器，其中四个声发射传感器分两组，分别安装于方形柱状的岩样试件的一对对立侧面的上下端部，另外两个声发射传感器安装于所述岩样试件的另一对对立侧面的中部；

该方法包括以下步骤：

步骤S1：采集若干具有代表性的岩样，按国际岩石力学学会的制作标准制作成方形柱状的岩样试件；

步骤S2：选取若干表面无明显节理裂隙的岩样试件，采用岩石力学试验机对选取的岩样试件进行单轴抗压强度试验，得到各岩样试件的单轴抗压强度，然后计算出岩样试件的平均抗压强度，将所述平均抗压强度作为岩石峰值强度；

步骤S3：另取若干岩样试件，分别对各岩样试件进行如下试验：在岩样试件一对对立侧面的上下端部安装四个声发射传感器，在其另一对对立侧面的中部安装两个声发射传感器，然后将各声发射传感器连接至声发射监测系统；安装在岩样试件对立侧面上下端部的四个声发射传感器，传感器边缘离岩样试件的上下端面的距离不小于1cm；

步骤S4：通过岩石力学试验机采用纵向位移控制的单轴加载方式对岩样试件缓慢施加荷载；

步骤S5：在加载过程中，通过声发射监测系统监测声发射事件数的变化趋势，当声发射事件数在一设定时间内增大为原来的n倍时，其中n>1，即判定声发射事件数发生突增，即判定当前加载水平达到了岩石峰值强度的80%以上，此时停止加载，并采用纵向位移控制的单轴卸载方式开始卸载，卸载速率与加载速率保持一致；

步骤S6：卸载至所述岩石峰值强度的5%，试验结束，岩石力学试验机自动记录并保存加卸载过程中的相关应力应变数据；

步骤S7：通过步骤S4~S6采集到的数据，计算得到所述岩样试件的弹性应变能、塑性应变能；

步骤S8：重复步骤S3~S7，直至完成对所有岩样试件的试验，并获得所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能；

步骤S9：通过获得的所有岩样试件的弹性应变能、塑性应变能，计算弹性应变能指标并对岩爆倾向性进行判断。