CN104949868A - 一种爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法 - Google Patents

Abstract

一种爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法，属于损伤岩样的损伤程度测定方法。方法是：a，制作厚度为105mm的正方形岩块，在几何形心处安放炸药和雷管，在关键点处黏贴电阻应变片和加速度传感器，并与超动态数据采集仪连接；b，在爆破块度较大的岩块上，以关键点为圆心沿厚度方向钻取、打磨标准岩样，并收集不规则小岩块；c，对不规则岩块进行压汞试验，对爆破损伤标准岩样进行CT、核磁共振、纵波速度、渗透系数、弹性模量和单轴抗压强度测试；e，对同性质的完整岩样进行相同的宏细观试验；f以动态应变和加速度波形为依据，综合宏细观试验的数据，定量判定爆破冲击对于岩石材料的损伤程度。优点：方法操作简单，试验数据全面可靠。

Description

一种爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法

技术领域

本发明涉及一种损伤岩样的损伤程度测定方法，特别是一种爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法。

背景技术

钻爆法具有经济、高效及对地质条件适应能力强的明显优势，是岩体开挖的最常用技术手段，广泛应用于矿山、水利、交通及油气储备、核废料处理等工程中。炸药爆炸将开挖范围内的岩石爆破下来的同时，爆炸应力波的动态作用及爆生气体的准静态作用将造成保留岩体的动态扰动和损伤，导致围岩物理力学性能劣化、强度降低、完整性变差，从而对岩体的安全稳定造成威胁。我国现行的《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)关于对工程岩体的分级中也已经指出：对矿山采掘工程的围岩进行工程定级时应该考虑爆破开挖对围岩稳定性的影响。

工程现场对岩体爆破造成的开挖损伤区范围和程度进行测试的最常用手段是以下两种：①利用爆破振动仪在爆破同时记录不同爆心距处的振动波形，然后基于质点峰值振动速度(PPV)及萨道夫斯基公式进行爆破震动控制和爆破损伤范围预测，或者通过频谱分析获得围岩对不同频率波形的动态响应；②利用爆破开挖后岩体纵波波速、钻孔电视或探地雷达测试获得爆破开挖损伤区的特征以便于进行支护结构设计。现场地形、地质条件的复杂性和强烈的施工扰动导致这两种方法虽然在特定工程中可以作为定性分析的常用方法，但是对于需要精确定量分析的机理解释无能为力。这与岩石静力学中基于本构方程的数值分析广泛应用于工程研究的现状有明显的区别，无法精确定量爆破导致的岩石动态损伤。

在理论研究方面，上世纪80年代以来，肇始于美国Sandia国家实验室的研究，国内外学者在基于损伤力学的岩石爆破损伤模型及数值模拟方面做出了一些有益的工作，如K-G模型、Taylor模型、TCK模型、Thorne模型及Yang、Liu模型等。但这些模型在预测爆破对岩体的损伤范围及程度方面还远不能满足工程实践的需要，究其原因是基于爆破预损伤岩样的基础试验数据的缺失导致理论模型的可靠性和实用性严重不足。

发明内容

本发明的目的是要提供一种简便可行的爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法，解决无法精确定量爆破导致的岩石动态损伤的问题。

本发明的目的是这样实现的：该损伤程度测定方法包括：爆破损伤岩样的制备、对于爆破损伤岩样的细观试验和对于爆破损伤岩样的宏观试验；

一、爆破损伤岩样的制备包括如下步骤：

a、制作长×宽×厚＝500mm×500mm×105mm的岩石试件，其中长度和宽度不局限于500mm，与此相当即可，在上表面中心处沿厚度方向钻炮孔，孔径≤10mm，孔深53mm；

b、在上表面关键点处黏贴电阻应变片及加速度传感器，并通过数据线与超动态信号测试分析仪连接；

c、在中心钻孔内放置定量炸药及雷管，炮泥封孔，利用起爆器爆破；

d、利用超动态信号测试分析仪记录爆破过程中关键点的动态应变及加速度波形；

e、采用取芯钻在爆破后的块度较大的岩块上的关键点，该关键点为布置电阻应变片及加速度传感器的位置，沿厚度方向钻取直径的岩样，打磨后岩样高度为100mm，并收集该处的等效直径不规则岩块；

在超动态信号测试分析仪通道数允许的情况下，布置应变片和加速度传感器的个数大于4个，每个关键点处同时黏贴电阻应变片及加速度传感器，且二者须尽量靠近；

在每个关键点钻取岩样时，以应变片和加速度传感器为圆柱形试样的圆心；

所述的关键点为炮孔与四个角点连线、四条边中点连线的远离炮孔的三等分点；

二、对于爆破损伤岩样的细观试验，本发明采用如下步骤：

a、对等效直径的不规则岩块进行压汞试验，获取孔隙分布曲线；

b、采用工业或医用CT对损伤岩样进行CT扫描，沿岩样轴向均匀间隔选取5～10个扫描横断面，获得损伤岩样不同横断面上的CT数分布，对每个断面上的CT数进行统计，统计参数包括平均CT数、CT数方差和分布形态，确定岩样相对损伤程度；

c、采用真空饱和装置对损伤圆柱岩样进行饱和，然后采用核磁共振成像分析系统对其进行测试，获得岩样的孔隙度、横向弛豫时间T₂分布及谱面积，沿岩样轴向均匀间隔选取5～10断面获取核磁共振成像图；

三、对于爆破损伤岩样的宏观试验，本发明采用如下步骤：

a、采用超声波检测仪对损伤岩样进行测试，获取纵波速度V_p；

b、采用岩石渗透系数实验系统对损伤岩样进行测试，获取渗透系数K；

c、利用岩石压力试验机对损伤岩样进行单轴压缩试验，获得弹性模量E和单轴抗压强度R_c；

加工与爆破损伤岩样岩性相同的未经爆破的完整标准岩样并采取与上述步骤相同的细观试验和宏观试验，获得试验数据；

以动态应变和加速度数据为依据，综合宏细观试验的数据，定量判定爆破冲击对于岩石材料的损伤程度。

有益效果及优点是：本发明利用炸药制备爆破损伤岩样，爆破过程中记录关键点的动态应变及加速度信号，对爆破损伤岩样采用宏细观结合的测试手段获得系统的物理力学参数，通过宏细观结合的方法精确量化该类岩样的损伤程度，经过综合分析可以定量判定爆破损伤程度。方法操作简单，试验数据全面可靠，可为岩石爆破损伤本构模型的建立奠定坚实的实验基础，进一步推动岩石动力学的发展。

附图说明

图1为本发明的待爆破岩块。

图2为本发明的岩块爆破后的破坏情况。

图3为本发明的制备好的爆破损伤岩样。

图中，1、完整岩块；2、中心炮孔；3、炸药；4、雷管；5、炮泥；6、起爆器；7、电阻应变片；8、加速度传感器；9、超动态信号测试分析仪；10、爆破后的破裂岩块；11、爆破漏斗外缘线；12、标准试样钻样轮廓；13、标准试样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：该损伤程度测定方法包括：爆破损伤岩样的制备、对于爆破损伤岩样的细观试验和对于爆破损伤岩样的宏观试验；

一、爆破损伤岩样的制备包括如下步骤：

a、制作长×宽×厚＝500mm×500mm×105mm的岩石试件，其中长度和宽度不局限于500mm，与此相当即可，在上表面中心处沿厚度方向钻炮孔，孔径≤10mm，孔深53mm；

b、在上表面关键点处黏贴电阻应变片及加速度传感器，并通过数据线与超动态信号测试分析仪连接；

c、在中心钻孔内放置定量炸药及雷管，炮泥封孔，利用起爆器爆破；

d、利用超动态信号测试分析仪记录爆破过程中关键点的动态应变及加速度波形；

e、采用取芯钻在爆破后的块度较大的岩块上的关键点，该关键点为布置电阻应变片及加速度传感器的位置，沿厚度方向钻取直径的岩样，打磨后岩样高度为100mm，并收集该处的等效直径不规则岩块；

在超动态信号测试分析仪通道数允许的情况下，布置应变片和加速度传感器的个数大于4个，每个关键点处同时黏贴电阻应变片及加速度传感器，且二者须尽量靠近；

在每个关键点钻取岩样时，应尽量以应变片和加速度传感器为圆柱形试样的圆心；

所述的关键点为炮孔与四个角点连线、四条边中点连线的远离炮孔的三等分点；

二、对于爆破损伤岩样的细观试验，本发明采用如下步骤：

a、对等效直径的不规则岩块进行压汞试验，获取孔隙分布曲线；

b、采用工业或医用CT对损伤岩样进行CT扫描，沿岩样轴向均匀间隔选取5～10个扫描横断面，获得损伤岩样不同横断面上的CT数分布，对每个断面上的CT数进行统计，统计参数包括平均CT数、CT数方差和分布形态，确定岩样相对损伤程度；

c、采用真空饱和装置对损伤圆柱岩样进行饱和，然后采用核磁共振成像分析系统对其进行测试，获得岩样的孔隙度、横向弛豫时间T₂分布及谱面积，沿岩样轴向均匀间隔选取5～10断面获取核磁共振成像图；

三、对于爆破损伤岩样的宏观试验，本发明采用如下步骤：

a、采用超声波检测仪对损伤岩样进行测试，获取纵波速度V_p；

b、采用岩石渗透系数实验系统对损伤岩样进行测试，获取渗透系数K；

c、利用岩石压力试验机对损伤岩样进行单轴压缩试验，获得弹性模量E和单轴抗压强度R_c；

加工与爆破损伤岩样岩性相同的未经爆破的完整标准岩样并采取与上述步骤相同的细观试验和宏观试验，获得试验数据；

以动态应变和加速度数据为依据，综合宏细观试验的数据，定量判定爆破冲击对于岩石材料的损伤程度。

具体的：

制作长×宽×厚＝600mm×600mm×105mm的红纱岩试块1，在上表面中心处钻直径 深度为53mm的中心炮孔2，将质量为12g的炸药(2号岩石铵梯)3和雷管(8号)4安放在中心钻孔2内，并用炮泥5进行封孔，雷管与起爆器6连接。在6个关键点处同时黏贴电阻应变片7和压电陶瓷加速度传感器8，并通过数据线与超动态信号测试分析仪(可采用江苏东华测试卡公司的DH5960型)9连接。

爆破后，红砂岩试块破裂为块度不等的多块不规则岩块，利用取芯钻沿直径的标准试样钻样轮廓12钻取岩样，在用磨石机打磨为高度100mm的爆破损伤标准岩样13，并在钻样过程中挑选等效直径不规则岩块。

利用等效直径的不规则岩块进行压汞试验，获取孔隙分布曲线；采用医用CT(可采用MicroXCT-400型)对爆破损伤标准岩样进行扫描，每个岩样从顶部到底部均匀间隔选取8个扫描横断面,获得岩样不同横截面上的CT数分布，并统计平均CT数、CT数方差和分布形态；采用真空饱和装置对损伤圆柱岩样进行饱和(真空压力值为0.1MPa，抽气时间为4h，抽完后再将岩样放入蒸馏水中浸泡24h)，然后采用核磁共振成像分析系统(可采用上海纽迈电子科技有限公司MiniMR–60MiniMR–60型)对其进行测试，获得岩样的孔隙度，横向弛豫时间T₂分布及谱面积，沿岩样轴向均匀间隔选取8断面获取核磁共振成像图。

进行完细观试验的爆破损伤标准试样自然风干后，采用超声波检测仪(武汉中科智创RSM-SY6)获得纵波波速V_p；然后采用岩石渗透系数实验系统(海安县石油科研仪器公司的LDY－50型岩心流动试验仪)获取渗透系数K；最后利用岩石压力试验机(MTS815)进行单轴压缩试验，得到全应力-应变曲线、弹性模量E和单轴抗压强度R_c

对6个关键点处的爆破损伤标准岩样及等效直径不规则岩块、以及未经爆破的完整岩样都按照上述宏细观试验流程进行试验，将获得的试验数据进行深入分析对比，并结合动态应变、加速度信息，可为岩石爆破损伤本构模型的建立提供基础试验数据。

Claims (1)

1.一种爆破损伤岩样制备及宏细观结合的损伤程度测定方法，其特征是：该损伤程度测定方法包括：爆破损伤岩样的制备、对于爆破损伤岩样的细观试验和对于爆破损伤岩样的宏观试验；

一、爆破损伤岩样的制备包括如下步骤：

    a、制作长×宽×厚=500mm×500mm×105mm的岩石试件，其中长度和宽度不局限于500mm，与此相当即可，在上表面中心处沿厚度方向钻炮孔，孔径≤10mm，孔深53mm；

    b、在上表面关键点处黏贴电阻应变片及加速度传感器，并通过数据线与超动态信号测试分析仪连接；

    c、在中心钻孔内放置定量炸药及雷管，炮泥封孔，利用起爆器爆破；

    d、利用超动态信号测试分析仪记录爆破过程中关键点的动态应变及加速度波形；

    e、采用取芯钻在爆破后的块度较大的岩块上的关键点，该关键点为布置电阻应变片及加速度传感器的位置，沿厚度方向钻取直径φ=50mm的岩样，打磨后岩样高度为100mm，并收集该处的等效直径φ≈20mm不规则岩块；

    在超动态信号测试分析仪通道数允许的情况下，布置应变片和加速度传感器的个数大于4个，每个关键点处同时黏贴电阻应变片及加速度传感器，且二者须尽量靠近；

在每个关键点钻取岩样时，以应变片和加速度传感器为圆柱形试样的圆心；

所述的关键点为炮孔与四个角点连线、四条边中点连线的远离炮孔的三等分点；

    二、对于爆破损伤岩样的细观试验，本发明采用如下步骤：

    a、对等效直径φ≈20mm的不规则岩块进行压汞试验，获取孔隙分布曲线；

  b、采用工业或医用CT对损伤岩样进行CT扫描，沿岩样轴向均匀间隔选取5~10个扫描横断面，获得损伤岩样不同横断面上的CT数分布，对每个断面上的CT数进行统计，统计参数包括平均CT数、CT数方差和分布形态，确定岩样相对损伤程度；

    c、采用真空饱和装置对损伤圆柱岩样进行饱和，然后采用核磁共振成像分析系统对其进行测试，获得岩样的孔隙度、横向弛豫时间T₂分布及谱面积，沿岩样轴向均匀间隔选取5~10断面获取核磁共振成像图；

    三、对于爆破损伤岩样的宏观试验，本发明采用如下步骤：

    a、采用超声波检测仪对损伤岩样进行测试，获取纵波速度V _p；

    b、采用岩石渗透系数实验系统对损伤岩样进行测试，获取渗透系数K；

    c、利用岩石压力试验机对损伤岩样进行单轴压缩试验，获得弹性模量E和单轴抗压强度R _c；

    加工与爆破损伤岩样岩性相同的未经爆破的完整标准岩样(φ50mm×100mm)，并采取与上述步骤相同的细观试验和宏观试验，获得试验数据；

以动态应变和加速度数据为依据，综合宏细观试验的数据，定量判定爆破冲击对于岩石材料的损伤程度。