CN105486581A - 一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法，该方法是通过在自制的岩石试件上预制裂隙，然后将它放置在密闭容器内，通过加压装置如单轴压力机对其注压，通过与密闭容器底部的注色入口和注色出口连通的注色入口管和注色出口管来完成颜料的注入和排出，通过注入时间等参数的控制来得到注色后岩石试件，然后结合本学科的理论知识展开分析研究。与现有技术相比，本发明通过注色、网格划分、切片、坐标获取、模型反演等过程，直观展现了试件内部裂隙发育过程和程度。

Description

一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法

技术领域

本发明涉及岩石断裂力学、矿山岩体变形监测领域，具体涉及一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法。

背景技术

裂隙岩体是一种内部含有微裂纹、孔隙及节理裂隙等各种缺陷的材料，这些缺陷影响了岩体力学性质及渗透特性。这些性质及特性的改变极大地影响着油、气、煤等矿山资源安全开采和地下空间工程安全应用。因此，探寻岩石裂隙发育及裂纹传播过程对有效改变岩体力学性质及渗透特性的关键。

目前，国内外很多学者对观测煤、岩裂隙发育过程研制了一些装置及方法，专利201410428556.0公开“一种矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法”，该方法首先对矿井工作面采动围岩进行数值模拟，得到塑性区的分布范围，然后施工探测钻孔，布设电极、测线采集数据，最后使用ansys有限元法计算软件对测得电性数据反演分析，此方法是根据电性的变化判断顶板裂隙发育，应用于现场，包括数值模拟、现场钻孔施工、电法测量和软件反演四个流程，要求设备多。专利201510210401.4公开“一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置以及测定方法”，该方法在不受采动影响区内施工增透措施孔和注水测试孔，然后向孔内注水，若裂隙发育强度大，注水量大，水压下降快，反之则相反，通过水流量和水压下降速度来评价煤层裂隙的发育程度的强弱。岩石裂隙发育后其电阻率、导水性能等发生变化，现有的方法无论是通过红外线辐射监测温度、高密度电法测量电阻率还是通过测量岩层钻孔密封段水的漏失量反演裂隙发育，在一定程度上受环境因素、工程背景因素等影响，这些方法要求的设备多，流程多，监测数据相互间影响多，因此，所测结果具有较大的离散性，也无法直观展现裂隙岩体裂纹扩展的形态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反演岩石裂隙发育过程的方法，该方法利用注色及借助三维坐标，对岩石裂隙发育测量准确，并且可直观的反演裂隙发育过程。

其技术解决方案包括：

一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法，依次包括以下步骤：

a制备岩石试件并预制裂隙，

将石膏、硅藻土和水混合均匀搅拌成浆液，将该浆液引流至模具中浇筑成型，得岩石试件，在该岩石试件上预制裂隙；

b准备试验所需加压装置，

所述加压装置包括密闭容器、位于所述密闭容器顶部和底部的加载压头，预制有裂隙的岩石试件放置在所述密闭容器内，所述密闭容器底部的两端分别设置有注色入口和注色出口；

c对预制有裂隙的岩石试件进行加压注色，所述加压注色包括第一阶段、第二阶段……第N阶段，

步骤1、第一阶段：开启加压装置，通过加载压头对预制有裂隙的岩石试件进行加载，加载过程中预制有裂隙的岩石试件开裂，加载一段时间后，停止加载保压，从注色入口注入A颜色染料，A颜色染料对已开裂的裂纹面着色，A颜色染料的注入时间为10min，注入完成后将密闭容器内的A颜色染料排出；

步骤2、接着进入第二阶段，开启加压装置对预制有裂隙的岩石试件进行加载，加载过程中预制有裂隙的岩石试件开裂，加载一段时间后，停止加载保压，向注色入口注入B颜色染料，B颜色染料对已开裂的裂纹面着色，B颜色染料的注入时间为10min，注入完成后将加压装置内的B颜色染料排出；

步骤3、按照步骤1和步骤2的方式继续加载注入C颜色染料、D颜色染料……直至完成第N阶段，得加载注色后的岩石试件；

d对加载注色后的岩石试件进行预处理

将加载注色后的岩石试件放置一段时间使染料变干，剥落该岩石试件表面残留的颜色层；

e在步骤d所得岩石试件表面打线，选取坐标原点，建立三维坐标网格；

f将步骤d所得岩石试件按照顺序切割成片，并对各个切片进行摆序排放和标注，测量每个颜色坐标的位置，利用Matlab或CAD三维软件建立三维图形；

g导入获得的坐标值，连接相同颜色点坐标形成线，将各阶段的裂纹面填充不同颜色，完成裂隙发育反演。

作为本发明的一个优选方案，密闭容器为圆柱体，圆柱体的顶盖和底盖与加载压头的面积相等。

作为本发明的另一个优选方案，步骤e中，三维坐标网格是通过选择岩石试件的一角为坐标原点，按照lcm×lcm×lcm的网格划分岩石试件而成的。

优选的，步骤a中岩石试件的尺寸为100mm×100mm×150mm。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明反演岩石预制裂隙发育过程通过注色原理，即通过对不同阶段的裂纹面着染不同颜色，辨识裂纹传播路径，该原理简单易懂，实用简便。

与现有技术相比，该方法主要有以下五个优点：

(1)试验过程中预制有裂隙的试件在密封容器内，避免了外部环境和工程背景对数据的影响；(2)颜料的注入、排出通过注色入口和注色出口即可完成，相比传统的红外监测、注水等，本发明实验设备更加简单，设备种类也少；(3)通过对不同阶段注入不同颜色可以直观展现试件内部裂隙发展的过程(路径、方向、深度)；(4)可以通过软件导入坐标即可完成建模，模型建立简单；(5)注色染料和试件材料便宜，试验成本低。

本发明方法通过注色、网格划分、切片、坐标获取、模型反演等过程，直观展现了试件内部裂隙发育过程、程度。

附图说明

下面结合附图对本发明做详细说明：

图1为预制有裂隙的岩石试件加载状态示意图；

图2为岩石试件注入A中颜色(红色)效果示意图；

图3为岩石试件注入B中颜色(绿色)效果示意图；

图4为岩石试件注入C中颜色(蓝色)效果示意图；

图5为岩石试件注入D中颜色(紫色)效果示意图；

图6为岩石试件网格坐标系划分示意图；

图7为岩石试件第VI个切片图；

图中，1、单轴压力机，1.1、加载压头(顶部)，1.2、加载压头(底部)，1.3、框架，2、密封容器，2.1、注色入口管，2.2、注色出口管，2.3、顶盖，2.4、底盖，3、预制有裂隙的岩石试件，4、预置裂隙。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1所示，本发明的大体技术思想是：通过在自制的岩石试件上预制裂隙，然后将它放置在密闭容器内，通过加压装置如单轴压力机1对其注压，通过与密闭容器底部的注色入口和注色出口连通的注色入口管2.1和注色出口管2.2来完成颜料的注入和排出，通过注入时间等参数的控制来得到注色后岩石试件，然后结合本学科的理论知识展开分析研究，为方便控制颜料的注入量，在注色入口管2.1和注色出口管2.2上均设置有阀门来调节控制。

本发明反演岩石预制裂隙发育过程的方法，不同于现有技术中的注水或通过温度来观测，其是通过一种全新的方法注色来完成，下面对本发明主要改进点之处做详细说明。

本发明岩石试件所采用的加压装置，可为单轴压力机1，如图1所示，单轴压力机1包括框架13、顶部加载压头1.1和底部加载压头1.2，顶部加载压头1.1和底部加载压头1.2与相应的动力加载装置连接，可实现对密闭容器的顶盖2.3和底盖2.4进行垂向加压。

本发明所用的岩石试件，是通过下述方法制备得到的：

分别量取高强度石膏3600g、硅藻土10g和水1800ml放入搅拌盆搅拌成浆，将料浆引流至尺寸为100mm×100mm×150mm的模具中浇筑成型，制备得到岩石试件，按照设计用特制铲刀预制作裂纹，即预制裂隙4，1h后进行脱模、表面刨光、养护，制备得到预制有裂隙的岩石试件。

实施例1：

本发明，反演岩石预制裂隙发育过程的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将预制有裂隙的岩石试件3放入密闭容器2(可伸缩)内，将顶盖2.3安装在密闭容器2上，然后把预制有裂隙的岩石试件3和密闭容器一起放置在单轴压力机1底座(底部的加载压头)1.2上；

步骤2、调整密闭容器，使其圆心对准顶部加载压头11的圆心，将注色入口和注色出口分别与注色入口管2.1和注色出口管2.2连接；

步骤3、按照设计，本次试验分为IV个加载阶段，即N＝IV.

步骤4、在试验开始前，先检查试验各部分是否准备完好，完好无误后，开启单轴压力机按钮，开始试验；当加载至第I阶段末，暂停加压使压力机保压，从注色入口注入红色染料(A为红色)对该阶段形成的裂纹面着色；

步骤5、注色时间为10min，压力为0.05MPa(可适当调整)，关闭注色入口阀门，打开出口阀门，将容器内多余染料收集起来，试件着色效果示意图如附图2所示；

步骤6、开启单轴压力机按钮，加载至第II阶段末，暂停加压使压力机保压，从注色入口注入绿色染料(B为绿色)对该阶段形成的裂纹面着色，然后重复与步骤5相同的注色时间、压力和步骤，试件着色效果示意图如图3所示；

步骤7、开启单轴压力机按钮，加载至第III阶段末，暂停加压使压力机保压，从注色入口注入蓝色染料(C为蓝色)对该阶段形成的裂纹面着色，然后重复与步骤5相同的注色时间、压力和步骤，试件着色效果示意图如图4所示；

步骤8、开启单轴压力机按钮，加载至第IV阶段末，暂停加压使压力机保压，从注色入口注入紫色染料(C为紫色)对该阶段形成的裂纹面着色，然后重复与步骤5相同的注色时间、压力和步骤，试件着色效果示意图如图5所示；

步骤9、加载阶段完成后，关停压力机，取出试件，放置24h保证染料变干，然后剥落试件表面残留的颜色层，如果仍有残留可用砂纸磨去，使试件表面光滑无残色；

步骤10、选择试件一角为坐标原点，按照lcm×lcm×lcm(此处l为1)网格划分试件，建立坐标系，如图6所示；

步骤11、利用岩石切片机按照顺序(I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX、X)将试件切割成10片，按顺序排放，并按照lcm×lcm×lcm(此处l为1)网格划分各切片，以获取各颜色边界线与网格线之间的交点及交点坐标；

步骤12、按照切片顺序测量红(A)、绿、蓝、紫色在各切片边界点坐标(X，Y，Z)，如本次试验中第VI个切片，如图7所示，上红颜色(A)、绿颜色(B)、蓝颜色(C)、紫颜色(D)边界坐标，整理成表，如表1所示；

步骤13、利用3D-MAX或CAD三维软件建立试件三维图形；

步骤14、导入获得的坐标值，连接相同颜色点坐标形成线，将各阶段的裂纹面填充不同颜色，完成裂隙发育反演。

表1第VI个切片各颜色边界坐标

从表1中可以得到：该表为第VI个切片A、B、C三种颜色边界坐标值，结合图4，X₆、Y₆、Z₆分别代表边界线与网格线的交点在x、y、z三个坐标方向上的值。由于试件是按照10mm×10mm×10mm网格划分，因此该切片边界线上点在x方向上均为60mm，而在y、z方向上的值可以利用直尺量取，整理成上表1。每一种颜色的边界线可以通过这些交点连接得到，不同颜色的边界线可以组合成不同阶段下裂隙发育面，表1中的同一颜色下有下线和上线之分，原因在于裂隙沿着上、下两个方向发育，注色也沿着这两个方向进行，形成上、下两个边界线。

需要说明的是，上述单轴压力机还可用其它加压装置来代替，本领域技术人员在本发明的启示下，对注色染料的注入顺序、颜色的选取等简单调整均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种反演岩石预制裂隙发育过程的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a制备岩石试件并预制裂隙，

将石膏、硅藻土和水混合均匀搅拌成浆液，将该浆液引流至模具中浇筑成型，得岩石试件，在该岩石试件上预制裂隙；

b准备试验所需加压装置，

所述加压装置包括密闭容器、位于所述密闭容器顶部和底部的加载压头，预制有裂隙的岩石试件放置在所述密闭容器内，所述密闭容器底部的两端分别设置有注色入口和注色出口；

c对预制有裂隙的岩石试件进行加压注色，所述加压注色包括第一阶段、第二阶段……第N阶段，

步骤1、第一阶段：开启加压装置，通过加载压头对预制有裂隙的岩石试件进行加载，加载过程中预制有裂隙的岩石试件开裂，加载一段时间后，停止加载保压，从注色入口注入A颜色染料，A颜色染料对已开裂的裂纹面着色，A颜色染料的注入时间为10min，注入完成后将密闭容器内的A颜色染料排出；

步骤2、接着进入第二阶段，开启加压装置对预制有裂隙的岩石试件进行加载，加载过程中预制有裂隙的岩石试件开裂，加载一段时间后，停止加载保压，向注色入口注入B颜色染料，B颜色染料对已开裂的裂纹面着色，B颜色染料的注入时间为10min，注入完成后将加压装置内的B颜色染料排出；

步骤3、按照步骤1和步骤2的方式继续加载注入C颜色染料、D颜色染料……直至完成第N阶段，得加载注色后的岩石试件；

d对加载注色后的岩石试件进行预处理，

将加载注色后的岩石试件放置一段时间使染料变干，剥落该岩石试件表面残留的颜色层；

e在步骤d所得岩石试件表面打线，选取坐标原点，建立三维坐标网格；

f将步骤d所得岩石试件按照顺序切割成片，并对各个切片进行摆序排放和标注，测量每个颜色坐标的位置，利用Matlab或CAD三维软件建立三维图形；

g导入获得的坐标值，连接相同颜色点坐标形成线，将各阶段的裂纹面填充不同颜色，完成裂隙发育反演。

2.根据权利要求1所述的反演岩石预制裂隙发育过程的方法，其特征在于：所述密闭容器为圆柱体，所述圆柱体的顶盖和底盖与所述加载压头的面积相等。

3.根据权利要求1所述的反演岩石预制裂隙发育过程的方法，其特征在于：步骤e中，三维坐标网格是通过选择岩石试件的一角为坐标原点，按照lcm×lcm×lcm的网格划分岩石试件而成的。

4.根据权利要求1所述的反演岩石预制裂隙发育过程的方法，其特征在于：步骤a中岩石试件的尺寸为100mm×100mm×150mm。