CN110044718A - 基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法 - Google Patents

基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，首先将岩块加工成圆柱形试样，进行单轴压缩试验直至岩石试样破坏；绘制岩石试样轴向应力‑轴向应变曲线和轴向应力‑侧向应变曲线，求得岩石体积应变；绘制岩石试样的轴向应力‑体积应变曲线，依此确定体积应变的拐点并将拐点对应的轴向应力作为岩石试样的损伤强度，损伤强度对应的轴向应力‑轴向应变点为岩石单轴压缩起变点，岩石单轴压缩起变点与岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为滞后时间T1，初始加载点至岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为单轴压缩时间T2，依据T1和T2计算滞后比TR并判别岩石岩爆倾向性等级，防止岩爆造成开挖工作面破坏、设备损坏和人员伤亡。

Description

基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法
本申请要求于2019年2月2日提交中国专利局、申请号为201910108066.5申请名称为“一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明属于岩爆倾向性等级判别技术领域，特别是涉及一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法。
背景技术
岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，岩爆倾向性研究已成为岩石地下工程和岩石力学领域的重要课题。岩石的岩爆倾向性，指岩石本身具有的发生岩爆需要的各项特性，岩石作为岩爆灾害发生的承载体，其本身的弹脆性及储能特性是引发岩爆的主要内在因素。为此，如何判断岩石是否具有岩爆倾向性成为预防岩爆灾害研究中的关键问题之一。岩石岩爆倾向性，指岩石本身具有的发生岩爆需要的各项特性。岩石作为岩爆灾害发生的承载体，其本身的弹脆性及储能特性是引发岩爆的主要内在因素。为此，研究岩爆倾向性等级判别方法对于岩爆预防具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，对岩石试样的进行单轴压缩试验，确定滞后比TR，以判别岩石的岩爆倾向性，以解决岩爆造成开挖工作面严重破坏、设备损坏和人员伤亡的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，具体步骤如下：
步骤S1、将取得的岩块加工制备成圆柱形试样；
步骤S2、进行单轴压缩试验，加载圆柱形试样直至岩石试样破坏；
步骤S3、绘制岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线；
步骤S4、对轴向应变与侧向应变求和得到岩石的体积应变，绘制岩石试样的轴向应力-体积应变曲线；
步骤S5、依据轴向应力-体积应变曲线确定轴向应力-体积应变的拐点；
步骤S6、将轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力作为岩石试样的损伤强度；
步骤S7、将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点；
步骤S8、定义岩石单轴压缩起变点与岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为滞后时间T1，定义初始加载点至岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为单轴压缩时间T2；
步骤S9、依据滞后时间T1和单轴压缩时间T2计算单轴压缩试验中滞后比TR；
步骤S10、依据滞后比TR判别岩石岩爆倾向性等级。
进一步的，所述步骤S1中圆柱形试样直径为48～52mm、高度为直径长度的1.8～2.2倍。
进一步的，所述步骤S2单轴压缩试验在电液伺服材料试验机上进行，加载速率为12KN/min。
进一步的，所述步骤S4是对岩石试样的同一轴向应力对应的轴向应变与侧向应变求和，求和所得为该轴向应力对应的体积应变，然后绘制岩石试样的轴向应力-体积应变曲线。
进一步的，所述步骤S5轴向应力-体积应变曲线中体积应变的峰值点即为轴向应力-体积应变的拐点。
进一步的，所述步骤S8岩石试样达到峰值强度点是轴向应力-轴向应变曲线中轴向应力最大的点。
进一步的，所述步骤S9根据TR＝T1/T2计算得到单轴压缩试验中滞后比TR。
进一步的，所述步骤S10中：当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。
本发明的有益效果是，对岩石试样的进行单轴压缩试验，测出其轴向应变和侧向应变，通过轴向应变和侧向应变之和得到岩石的体积应变。岩石体积应变的峰值点对应岩石的轴向应力-体积应变曲线的拐点，岩石轴向应力-体积应变曲线拐点处的轴向应力为岩石的损伤强度。将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩石达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，定义滞后时间T1与岩石试样自初始加载至达到峰值强度时间T2的比值为滞后比TR，然后利用计算出的滞后比TR的大小判断岩石的岩爆倾向性程度，以解决岩爆造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明岩爆倾向性等级判别方法的流程示意图；
图2为圆柱形试样立体示意图；
图3为岩石试样单轴压缩实验加载方案示意图；
图4为岩石试样单轴压缩轴向应力-轴向应变和轴向应力-侧向应变曲线图；
图5为岩石试样单轴压缩轴向应力-体积应变曲线图；
图6为岩石起变点、滞后时间T1和自初始加载至达到峰值强度时间T2确定方法图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，具体过程如下：
(1)：现场取样，将取得的岩块加工制备成圆柱形试样，如图2所示，按照岩石力学试验规程，圆柱形试样直径D为48～52mm、高度L为直径长度的1.8～2.2倍，根据国际岩石力学学会标准，将试验岩样加工成圆柱形试样，并设置试样尺寸为上述尺寸，一方面可以提高试验的准确性，另一方面统一试样的形状和尺寸保证试验结果的可重复性。加载方案如图3所示，根据常规静载试验的加载速率，以12KN/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，测得岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线，如图4所示，横轴为应变，纵轴为轴向应力。以便下一步通过轴向应变与侧向应变之和计算岩石的体积应变。加载力设置为12KN/min可以保证在加载过程中应力应变数据的采集量，提高试验结果的准确性。加载力过大或过小均会影响应力应变数据的采集量，同时对岩样的峰值强度也会造成影响。
(2)：通过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，如图5和图6所示，体积应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，故可以通过确定体积应变的最大值定量且准确的确定轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度。
(3)：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，如图6所示，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，自初始加载至岩石试样达到峰值强度的时间为T2；
(4)：根据公式TR＝T1/T2计算得到单轴压缩试验中滞后比TR。
(5)：利用步骤4计算出的滞后比TR，判断岩石岩爆倾向性等级：当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。
岩石在单轴压缩条件下的应力应变曲线从宏观上刻画了岩石在荷载作用下的基本力学特征。从岩石单轴压缩试验得到的应力应变曲线可知，岩石受载后直到破坏将经历以下五个阶段：1.微裂隙压密阶段，2.弹性变形阶段，3.微裂隙发生和扩展阶段，4.裂隙不稳定发展直至破裂阶段，5.破裂后阶段。其中岩石进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段后，随着轴向应力的增加，岩石内部的裂隙迅速扩展，裂隙进入不稳定发展阶段，裂隙扩展贯通形成滑动面，导致岩石的整体失稳。岩石进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段，预示着岩石即将发生破坏，因此准确判断裂隙不稳定发展直至破坏阶段的起点对于预测岩石破坏具有重要意义，损伤强度标志着岩石内部裂纹大量连接贯通，体积应变曲线发生弯折，裂纹的进一步扩展贯通无需再增加外力，因此，损伤强度也被称为岩石裂纹不稳定扩展的起点。定义岩石在单轴压缩试验中的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点为岩石的单轴压缩起变点，起变点与峰值应力点之间的间隔时间为滞后时间T1，从初始加载至岩石达到峰值强度之间的时间为T2，滞后比TR＝T1/T2。滞后比TR与试样的大小与岩石的岩爆倾向性呈线性相关关系，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。因此，如何获得岩石在单轴压缩试验中的滞后比TR，是解决上述问题的关键。
实施例1：
以青砂岩为例，在MTS815电液伺服材料试验机进行青砂岩常规单轴压缩试验，对青砂岩的岩爆倾向性进行判断。先计算单轴压缩滞后比TR，然后根据滞后比指标判断青砂岩的岩爆倾向性等级，具体如下：
(1)：将工程现场取回的岩块加工成直径为50mm，长度为100mm的圆柱形岩石试样，将岩石试样在MTS815电液伺服材料试验机进行单轴压缩试验，以加载速率为12KN/min的力控制加载方式加载，测得岩石在单轴压缩条件下的轴向应变和侧向应变。
(2)：过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，轴向应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度。
(3)：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，初始加载至岩样达到岩石峰值强度的时间为T2。
(4)：单轴压缩试验中滞后比即可根据公式TR＝T1/T2计算得到，式中，T1表示岩石试样起变点与峰值应力点之间的间隔时间；T2表示岩石自初始加载至达到峰值强度的时间，TR表示岩石试样在单轴压缩试验中的滞后比。在青砂岩K5的单轴压缩试验中，加载至731s时，青砂岩K5轴向应力体积应变曲线出现拐点，则青砂岩K5单轴压缩起变点出现，加载至900s时，青砂岩K5出现破坏，此时青砂岩单轴压缩滞后比TR＝T1/T2＝(900-731)/900＝169/900＝0.188。
(5)：利用计算出的滞后比TR判断青砂岩K5的岩爆倾向性等级，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向，青砂岩K5的滞后比为0.188，根据上述分级标准，青砂岩K5的岩爆倾向性为中等；为提高判断岩石岩爆倾向性的准确性，同一岩石取三个试样进行单轴压缩试验，分别求得三个试样的单轴压缩滞后比并取平均值，作为判断该岩石岩爆倾向性的依据。如表1，青砂岩三个试样的单轴压缩滞后比TR计算结果分别为0.188、0.176、0.179，三个试验滞后比的均值为0.181，所以青砂岩的岩爆倾向性判断结果为中等岩爆倾向。
表1青砂岩滞后比计算结果
岩石试样编号 滞后时间T<sub>1</sub>/s 单轴压缩试验加载起始至达到峰值强度时间T<sub>2</sub>/s 滞后比T<sub>R</sub>
K5 169 900 0.188
K6 162 920 0.176
K7 159 890 0.179
利用本发明的判别方法，判别了邵阳麻花岗岩、广西白大理岩的岩爆倾向性，结果如表2和3所示，邵阳麻花岗岩三个试样的单轴压缩滞后比TR计算结果分别为0.133、0.136、0.129，且三个试验滞后比的均值约为0.133，所以邵阳麻花岗岩的岩爆倾向性判断结果为强岩爆倾向。广西白大理岩三个试样的单轴压缩滞后比TR计算结果分别为0.421、0.364、0.381，且三个试验滞后比的均值约为0.389，所以广西白大理岩的岩爆倾向性判断结果为无岩爆倾向。
表2邵阳麻花岗岩滞后比计算结果
表3广西白大理岩滞后比计算结果
通过本发明的方法确定青砂岩的岩爆倾向性为中等岩爆倾向，邵阳麻花岗岩的岩爆倾向性判断结果为强岩爆倾向，广西白大理岩的岩爆倾向性判断结果为无岩爆倾向，确定结果与“宫凤强,闫景一,李夕兵.基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据.岩石力学与工程学报,2018,37(09):1993-2014.”利用剩余弹性能岩爆倾向性判据对上述岩石的岩爆倾向性判别结果相同，说明了本文判别方法的准确度。宫凤强等人利用提出的剩余弹性能指数的判据，实现了和室内实验结果的统一，进一步的，剩余弹性能指数已写入国家能源标准，因此可依此来证明本发明的判别效果的有效性和准确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1、将取得的岩块加工制备成圆柱形试样；
步骤S2、进行单轴压缩试验，加载圆柱形试样直至岩石试样破坏；
步骤S3、绘制岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线；
步骤S4、对轴向应变与侧向应变求和得到岩石的体积应变，绘制岩石试样的轴向应力-体积应变曲线；
步骤S5、依据轴向应力-体积应变曲线确定轴向应力-体积应变的拐点；
步骤S6、将轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力作为岩石试样的损伤强度；
步骤S7、将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点；
步骤S8、定义岩石单轴压缩起变点与岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为滞后时间T1，定义初始加载点至岩石试样达到峰值强度点的间隔时间为单轴压缩时间T2；
步骤S9、依据滞后时间T1和单轴压缩时间T2计算单轴压缩试验中滞后比TR；
步骤S10、依据滞后比TR判别岩石岩爆倾向性等级。
2.根据权利要求1所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S1中圆柱形试样直径为48～52mm、高度为直径长度的1.8～2.2倍。
3.根据权利要求1所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S2单轴压缩试验在电液伺服材料试验机上进行，加载速率为12KN/min。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S4是对岩石试样的同一轴向应力对应的轴向应变与侧向应变求和，求和所得为该轴向应力对应的体积应变，然后绘制岩石试样的轴向应力-体积应变曲线。
5.根据权利要求4所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S5轴向应力-体积应变曲线中体积应变的峰值点即为轴向应力-体积应变的拐点。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S8岩石试样达到峰值强度点是轴向应力-轴向应变曲线中轴向应力最大的点。
7.根据权利要求1、2、3或5所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S9根据TR＝T1/T2计算得到单轴压缩试验中滞后比TR。
8.根据权利要求7所述的基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，所述步骤S10中：当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。
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