CN111007231A - 一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法 - Google Patents

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CN111007231A CN201911334755.4A CN201911334755A CN111007231A CN 111007231 A CN111007231 A CN 111007231A CN 201911334755 A CN201911334755 A CN 201911334755A CN 111007231 A CN111007231 A CN 111007231A
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Abstract

本发明涉及的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，克服了广泛采用的Brune模型中不考虑新生裂纹消耗表面能导致小尺度裂纹(米级)量化结果过大的问题。在模拟计算岩石工程开挖过程中应力场空间分布的基础上，通过结合矩张量反演方法来确定破裂面的法向量，从而达到更合理地确定采动岩体中新生剪切裂纹尺度的目的。基于实际开挖过程，结合数值模拟再现采动岩体中应力场的动态演化过程及破裂面产生时对应的受力状态，并以此作为已知条件建立动态方程求解裂纹尺度，更加符合岩体破裂过程中裂纹生长的动态特点，可以为利用微震监测方法量化岩体损伤程度提供基础数据。

Description

一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法
技术领域
本发明属于岩石力学理论与工程应用技术领域，主要涉及岩石工程中岩体内 新生裂纹几何参数确定技术领域，具体涉及一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度 的量化方法。
背景技术
我国经济的高速增长极大地刺激了资源、能源的开发，其中大部分涉及岩石 工程，比如，煤炭开采、金属与非金属矿开采、修筑公路及铁路过程中的隧道开 凿、兴修水利过程中的岩质边坡开挖等等。然而，由于中国大陆较为复杂的地质 条件，岩石工程建设过程中冒顶、塌方以及突水等工程地质灾害事故频发，造成 人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效等大量不良后果；加之巨大的工程建 设量，我国目前已成为世界上遭受工程地质灾害较为严重的国家之一。
因围岩失稳破坏诱发的工程地质灾害是安全事故产生的重要原因，而围岩的 失稳破坏发生前必然存在一个因工程开挖引起岩体内部破裂面形成及演化的时 空发展过程，对这一过程的分析与研究是预测与防控围岩失稳破坏发生的关键。 岩体本身性质(非均匀、各向异性)及所处地质环境(地应力条件等)的复杂性 决定了从理论上分析岩体的破坏过程是很困难的，必须结合现场监测手段。利用 微震监测可以接收岩体破裂时释放出的弹性波，通过分析可以获得破裂源的空间 位置、破裂面方位及破裂面尺度，进而对岩体破坏的演化过程进行分析研究。
目前，利用微震监测数据量化岩体破裂面尺度广泛采用Brune模型，即认为 裂纹的半径a与P波或S波的拐角频率fc成反比：
Figure BDA0002330648920000011
式中，Kc为依赖于震源模型的常数；VS为震源区的S波波速，单位m/s；fc为拐 角频率，单位Hz。
对于Brune模型，只考虑S波，系数Kc与观察角度无关，Kc＝0.375，在一 些矿山及地下岩石工程中，Brune模型算得的破裂尺度明显大于真实观察结果， 其原因主要是由于该模型忽略了裂纹形成过程中的表面能。对于沿原有破裂面变 形的微震源，这种假设是合理的，但对于伴随新生破裂面形成的微震源来说，就 不能忽略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，在 模拟计算岩石工程开挖过程中应力场空间分布的基础上，通过结合矩张量反演方 法来确定破裂面的法向量，从而达到更合理地确定采动岩体中新生剪切裂纹尺度 的目的。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，包 括如下步骤：
步骤1、确定岩石的物理力学参数
依次利用量积法测量岩石的密度、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强 度、弹性模量及泊松比、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角、通过直剪实验 测定岩石的基本摩擦角、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度；
步骤2、根据微震监测数据确定破裂面的节平面法向量
在工程现场安装微震监测系统、确定破裂面的空间位置、提取波形的初动振 幅及矩张量反演、计算节平面的法向量；
步骤3、结合数值模拟方法确定破裂面及其受力状态
根据工程实际建立三维数值模型、求解开挖过程中岩体的应力场分布、确定 破裂面及其受力状态；
步骤4、求解剪切裂纹的尺度
量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功、摩擦耗能、表面能及动能(微 震能量)、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度；
步骤5、建立剪切裂纹可视化模型
建立剪切裂纹尺度数据库、三维可视化剪切裂纹。
所述步骤1中具体步骤包括：
步骤1.1、利用量积法测量岩石的密度
将从现场取样的岩块加工成Φ50×100mm的标准试样，用天平称其质量(精 确至0.01g)，然后用游标卡尺测量其尺寸(精确至0.1mm)并计算其体积，两者 相除得到岩石的密度；
步骤1.2、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度弹性模量及泊松比
在试样表面粘贴应变片，通过压力机进行单轴压缩实验，单轴抗压强度岩石 能承受的最大压应力，通过压力机的压力数据及应变片的应变数据可确定岩石的 弹性模量E及泊松比ν：
Figure BDA0002330648920000031
Figure BDA0002330648920000032
式中，E为弹性模量，单位MPa；σ50为单轴抗压强度的50％，单位MPa；εr50为应为单轴抗压强度的50％时的轴向应变；ν为泊松比；εa50为单轴抗压强度的 50％时的横向应变；
步骤1.3、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角
使用Φ50×100mm的标准试样，在不同的围压下进行三组三轴压缩实验， 获得三组围压及对应的三轴压缩强度，基于这三组实验数据绘制莫尔圆并利用莫 尔库伦准则拟合求解岩石的内摩擦角；
步骤1.4、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角
将从现场取样的岩块加工成25×100×100mm的岩板两块。对两岩板施加1 个恒定的正应力和1个逐渐增加的剪应力。随着剪应力的增加，沿着平行于剪 切力的方向发生位移，通过最大剪应力与正应力之比来计算岩石的基本摩擦角；
步骤1.5、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度
将从现场取样的岩块加工成50×50×50mm的正方体试样，并在试样的左右 两侧面中部各切一贯穿性切口，将试样放入剪切盒中进行剪切实验，根据岩石破 坏时对应的最大荷载p可通过下式计算岩石的剪切断裂韧度：
Figure BDA0002330648920000033
式中，KII为剪切断裂韧度，单位Mpa·m0.5；p为最大荷载，单位N；B为试 样厚度，单位m；d为切口的长度为，单位m；W为试样宽度，单位m；α为切 口的倾角，单位°；
Figure BDA0002330648920000041
为岩石的内摩擦角，单位°；
Figure BDA0002330648920000042
为试样的形状系数,
Figure BDA0002330648920000043
所述步骤2中具体步骤包括：
步骤2.1、在工程现场安装微震监测系统
在岩体表面钻孔(孔深>2m，孔径>微震传感器直径+5cm)，将微震传感器 安置在钻孔内，利用线缆连接传感器及采集仪，形成完整的微震监测系统；
步骤2.2、确定破裂面的空间位置
利用已安装的微震监测系统采集岩体破裂诱发的微震波，对微震传感器接收 到的波形进行人工或自动波形到时拾取工作，基于波形到时利用单纯型或Geiger 定位算法计算破裂面的三维空间坐标；
步骤2.3、提取波形的初动振幅及矩张量反演
在确定破裂面的空间位置的基础之上，选取所诱发微震波触发微震传感器数 量超过6的破裂事件(6个以下无法进行矩张量反演)作为样本数据，将波形到 时后第一个波包的最大值(幅值为正)或最小值(幅值为负)作为该波形的初动 振幅；根据矩张量理论，微震波的初动振幅uk与矩张量Mij的关系可以用下式表 示：
Figure BDA0002330648920000044
式中，uk为微震波的初动振幅，单位m；Mij为矩张量，单位N·m；Re(t,r) 为微震传感器与岩石界面的反射系数，t为微震传感器的方向向量，r＝(r1 r2 r3) 为自破裂面位置到微震传感器的方向向量，L为破裂面位置及微震传感器之间的 距离，单位m；
初步求解矩张量Mij后，将矩张量Mij作为已知量再通过上式来反分析微震 传感器接收到的理论初动振幅，利用理论初动振幅及实际观察到的初动振幅之比 来检验微震传感器i在微震事件j的矩张量反演过程中的有效性，如果比值远大 于或远小于1，则利用下式动态的修正微震传感器接收到的初动振幅：
Figure BDA0002330648920000051
式中，
Figure BDA0002330648920000052
为修正后的初动振幅，单位m；
Figure BDA0002330648920000053
为修正前的初动振幅，单位 m；wi为权重系数，
Figure BDA0002330648920000054
为微震传感器i对应的理论初动振幅及实际观察到的初动 振幅之比的中位数；重复这一步骤，直至修正后的初动振幅及实际观察到的初动 振幅之比接近1为止；此时，通过修正后的初动振幅计算得的矩张量结果作为最 终结果。这样做的目的是弱化波传播路径及传感器耦合效果对矩张量反演结果的 影响。
步骤2.4、计算节平面的法向量
求解矩张量Mij的特征值M1、M2、M3(M1>M2>M3)及特征向量(e1、e2、 e3)，根据矩张量中特征值与特征向量间的关系，节平面的法向量n及位移向量 v利用下式计算：
Figure BDA0002330648920000055
在剪切震源中，n与v之间可以互换，即剪切裂纹的法向方向可能为其中的 任意一个。
所述步骤3中具体步骤包括：
步骤3.1、根据工程实际建立三维数值模型
根据钻孔数据库生成钻孔柱状图并按其真实坐标调整至对应的空间位置中， 将同一岩性的顶、底板分别相连，形成各岩性的地质剖面图，利用放样命令通过 指定一系列相同岩性的剖面来创建不同岩性的三维实体地质模型；将三维实体地 质模型导入数值模拟软件中，对数值模型进行网格划分，对不同岩性内的网格单 元进行赋值并施加边界条件(法向位移约束)；
步骤3.2、求解开挖过程中岩体的应力场分布
根据开挖的实际过程不断改变数值模型，这里采用杀死单元(将已开挖处的 单元弹性模量降至极低)的方法表现整个开挖过程中的不同工况，对每一种工况 下的数值模型进行求解，得到对应工况下岩体中的三维应力场分布状态；
步骤3.3、确定破裂面及其受力状态
在三维应力场中查找破裂面空间位置对应的应力状态(三向主应力的方向及 大小)，结合节平面法向量按照下式来计算节平面上的正应力σn及剪切应力τ：
σn＝σ1l1 2+σ2l2 2+σ3l3 2 (7)
τ＝[(σ1-σ2)2l1 2l2 2+(σ2-σ3)2l2 2l3 2+(σ1-σ3)2l1 2l3 2]1/2 (8)
式中，σn为节平面上的正应力，单位MPa；τ为节平面上的剪切应力，单位MPa； σ1，σ2及σ3分别为节平面处的主应力，单位MPa，由数值模型求解得到；l1，l2及l3为节平面法向量及主应力σ1，σ2及σ3间夹角的余弦；
求解节平面上剪切应力τ与正应力σn的比值Ts，由于Ts越大，越容易发生 剪切破坏；因此，将Ts较大的一个节平面确定为实际的破裂面，而该节平面对 应的正应力及剪切应力即为破裂面的实际受力状态。
所述步骤4中具体步骤包括：
步骤4.1、量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功
假设剪切裂纹是圆盘状，且是瞬时形成的，破裂面上剪切应力随错动量线性 降低直至裂纹停止错动。剪切面上的摩擦阻力可用下式表示：
τf＝σntan(φb+JRClog(JCS/σn)) (9)
式中，τf为剪切面上的摩擦阻力，单位MPa；φb为基本摩擦角，单位°；JRC 为滑动面粗糙度系数，可选取多个出露剪切裂纹的平均值；JCS为破裂面抗压强 度，单位MPa，对于新生破裂面JCS等于岩石单轴抗压强度；
裂纹形成及错动过程中驱动力做的功Uw可用下式计算：
Figure BDA0002330648920000061
式中，Uw为驱动力做功，单位J；τ0为裂纹面上的初始剪切应力，单位MPa， 由数值模型求解得到；τa为裂纹形成及错动变形完成后裂纹面上的最终剪切应 力，单位MPa；a为裂纹面的半径，单位m；
步骤4.2、量化剪切裂纹形成及错动过程中摩擦耗能、表面能及动能
裂纹形成及错动过程中的摩擦耗能Uf、表面能Us及动能Uk可分别由下述公 式量化表述：
Figure BDA0002330648920000071
Figure BDA0002330648920000072
Figure BDA0002330648920000073
式中，Uf、Us及Uk分别为摩擦耗能、表面能及动能，单位J；VC为P或SH 或SV波的波速(VSH＝VSV)，单位m/s；RC为微震传感器处对应的P或SH或SV波 辐射花样系数；<RC>为P或SH或SV波的平均辐射花样系数；L为震源与传感器的 距离，单位m；JC为P或SH或SV波的辐射能量通量，单位J，利用微震传感器接 收到的微震波形计算；
步骤4.3、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度
裂纹形成及错动过程中的能量守恒定律可表示为下式：
Uw＝Us+Uk+Uf (14)
将式(10)-(13)代入式(14)，移项并合并同类项可得剪切裂纹尺度计算方程：
Figure BDA0002330648920000074
其中，τa＝1.34τf-0.34τ0。
求解方程(15)即可得到剪切裂纹尺度a。
所述步骤5中具体步骤包括：
步骤5.1、建立剪切裂纹尺度数据库
基于以上计算结果，按照破裂面空间位置X、Y、Z，破裂面法向量n以及 剪切裂纹尺度a的格式建立数据库；
步骤5.2、三维可视化剪切裂纹
对CAD进行二次开发，使其能够读取剪切裂纹尺度数据库并生成裂纹的三 维模型(圆盘状)，实现剪切裂纹的三维可视化。
与现有技术相比，本发明的优点是：
克服了广泛采用的Brune模型中不考虑新生裂纹消耗表面能导致小尺度裂 纹(米级)量化结果过大的问题，较为合理地确定采动岩体中新生剪切裂纹的尺 度。基于实际开挖过程，结合数值模拟再现采动岩体中应力场的动态演化过程及 破裂面产生时对应的受力状态，并以此作为已知条件建立动态方程求解裂纹尺度， 更加符合岩体破裂过程中裂纹生长的动态特点，可以为利用微震监测方法量化岩 体损伤程度提供基础数据。
附图说明
图1为直剪实验示意图。
图2为剪切盒实验示意图。
图3为岩体破裂微震信号P波和S波的拾取。
图4为三维数值模型。
图5为不同工况下的剪应力云图。
图6为剪切裂纹三维模型(黑色为第一工况诱发的剪切裂纹，灰色为第二工 况诱发的剪切裂纹)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图6所示，本发明的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方 法，包括如下步骤：
步骤1、确定岩石的物理力学参数
包括：依次利用量积法测量岩石的密度、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴 抗压强度、弹性模量及泊松比、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角、通过直 剪实验测定岩石的基本摩擦角和利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度。
所述步骤1中利用量积法测量岩石的密度具体包括：
步骤1.1、将从现场取样的岩块加工成Φ50×100mm的标准试样，用天平称 其质量(精确至0.01g)，然后用游标卡尺测量其尺寸(精确至0.1mm)并计算其 体积，两者相除得到岩石的密度。
所述步骤1中通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度弹性模量及泊松 比具体包括：
步骤1.2、在试样表面粘贴应变片，通过压力机进行单轴压缩实验，单轴抗 压强度岩石能承受的最大压应力，通过压力机的压力数据及应变片的应变数据可 确定岩石的弹性模量E及泊松比ν：
Figure BDA0002330648920000091
Figure BDA0002330648920000092
式中，E为弹性模量，单位MPa；σ50为单轴抗压强度的50％，单位MPa；εr50为应为单轴抗压强度的50％时的轴向应变；ν为泊松比；εa50为单轴抗压强度的 50％时的横向应变；
所述步骤1中通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角具体包括：
步骤1.3、使用Φ50×100mm的标准试样，在不同的围压下进行三组三轴压 缩实验，获得三组围压及对应的三轴压缩强度，基于这三组实验数据绘制莫尔圆 并利用莫尔库伦准则拟合求解岩石的内摩擦角。
所述步骤1中通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角具体包括：
步骤1.4、将从现场取样的岩块加工成25×100×100mm的岩板两块。对两 岩板施加1个恒定的正应力和1个逐渐增加的剪应力。随着剪应力的增加，沿 着平行于剪切力的方向发生位移，通过最大剪应力与正应力之比来计算岩石的基 本摩擦角。
所述步骤1中利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度具体包括：
步骤1.5、将从现场取样的岩块加工成50×50×50mm的正方体试样，并在 试样的左右两侧面中部各切一贯穿性切口，如图2所示，将试讲放入剪切盒中进 行剪切实验，根据岩石破坏时对应的最大荷载p可通过下式计算岩石的剪切断裂 韧度：
Figure BDA0002330648920000093
式中，KII为剪切断裂韧度，单位Mpa·m0.5；p为最大荷载，单位N；B为试 样厚度，单位m；d为切口的长度为，单位m；W为试样宽度，单位m；α为切 口的倾角，单位°；
Figure BDA0002330648920000101
为岩石的内摩擦角，单位°；
Figure BDA0002330648920000102
为试样的形状系数,
Figure BDA0002330648920000103
步骤2、根据微震监测数据确定破裂面的节平面法向量
包括：在工程现场安装微震监测系统、确定破裂面的空间位置、提取波形的 初动振幅及矩张量反演和计算节平面的法向量，具体包括：
步骤2.1、在工程现场安装微震监测系统
在岩体表面钻孔，孔深>2m，孔径>微震传感器直径+5cm，将微震传感器安 置在钻孔内，利用线缆连接传感器及采集仪，形成完整的微震监测系统。
步骤2.2、确定破裂面的空间位置
利用已安装的微震监测系统采集岩体破裂诱发的微震波，对微震传感器接收 到的波形进行人工或自动波形到时拾取工作，基于波形到时利用单纯型或Geiger 定位算法计算破裂面的三维空间坐标。
步骤2.3、提取波形的初动振幅及矩张量反演
在确定破裂面的空间位置的基础之上，选取所诱发微震波触发微震传感器数 量超过6的破裂事件(6个以下无法进行矩张量反演)作为样本数据，将波形到 时后第一个波包的最大值(幅值为正)或最小值(幅值为负)作为该波形的初动 振幅；根据矩张量理论，微震波的初动振幅uk与矩张量Mij的关系可以用下式表 示
Figure BDA0002330648920000104
式中，uk为微震波的初动振幅，单位m；Mij为矩张量，单位N·m；Re(t,r) 为微震传感器与岩石界面的反射系数，t为微震传感器的方向向量，r＝(r1 r2 r3) 为自破裂面位置到微震传感器的方向向量，L为破裂面位置及微震传感器之间的 距离，单位m；
初步求解矩张量Mij后，将矩张量Mij作为已知量再通过上式来反分析微震 传感器接收到的理论初动振幅，利用理论初动振幅及实际观察到的初动振幅之比 来检验微震传感器i在微震事件j的矩张量反演过程中的有效性，如果比值远大 于或远小于1，则利用下式动态的修正微震传感器接收到的初动振幅：
Figure BDA0002330648920000111
式中，
Figure BDA0002330648920000112
为修正后的初动振幅，单位m；
Figure BDA0002330648920000113
为修正前的初动振幅，单位 m；wi为权重系数，
Figure BDA0002330648920000114
为微震传感器i对应的理论初动振幅及实际观察到的初动 振幅之比的中位数；重复这一步骤，直至修正后的初动振幅及实际观察到的初动 振幅之比接近1为止。此时，通过修正后的初动振幅计算得的矩张量结果作为最 终结果。这样做的目的是弱化波传播路径及传感器耦合效果对矩张量反演结果的 影响。
步骤2.4、计算节平面的法向量
求解矩张量Mij的特征值M1、M2、M3(M1>M2>M3)及特征向量(e1、e2、 e3)，根据矩张量中特征值与特征向量间的关系，节平面的法向量n及位移向量 v利用下式计算：
Figure BDA0002330648920000115
在剪切震源中，n与v之间可以互换，即剪切裂纹的法向方向可能为其中的 任意一个。
步骤3、结合数值模拟方法确定破裂面及其受力状态
包括：根据工程实际建立三维数值模型、求解开挖过程中岩体的应力场分布 和确定破裂面及其受力状态，具体包括：
步骤3.1、根据工程实际建立三维数值模型
根据钻孔数据库生成钻孔柱状图并按其真实坐标调整至对应的空间位置中， 将同一岩性的顶、底板分别相连，形成各岩性的地质剖面图，利用放样命令通过 指定一系列相同岩性的剖面来创建不同岩性的三维实体地质模型。将三维实体地 质模型导入数值模拟软件中，对数值模型进行网格划分，对不同岩性内的网格单 元进行赋值并施加边界条件(法向位移约束)。
步骤3.2、求解开挖过程中岩体的应力场分布
根据开挖的实际过程不断改变数值模型，这里采用杀死单元(将已开挖处的 单元弹模降至极低)的方法表现整个开挖过程中的不同工况，对每一种工况下的 数值模型进行求解，得到对应工况下岩体中的三维应力场分布状态。
步骤3.3、确定破裂面及其受力状态
在三维应力场中查找破裂面空间位置对应的应力状态(三向主应力的方向及 大小)，结合节平面法向量按照下式来计算节平面上的正应力σn及剪切应力τ：
σn＝σ1l1 2+σ2l2 2+σ3l3 2 (7)
τ＝[(σ1-σ2)2l1 2l2 2+(σ2-σ3)2l2 2l3 2+(σ1-σ3)2l1 2l3 2]1/2 (8)
式中，σn为节平面上的正应力，单位MPa；τ为节平面上的剪切应力，单位 MPa；σ1，σ2及σ3分别为节平面处的主应力，单位MPa，由数值模型求解得到； l1，l2及l3为的节平面法向量及主应力σ1，σ2及σ3间夹角的余弦。
求解节平面上剪切应力τ与正应力σn间的比值Ts，由于Ts越大，越容易发生剪 切破坏。因此，将Ts较大的一个节平面确定为实际的破裂面，而该节平面对应 的正应力及剪切应力即为破裂面的实际受力状态。
步骤4、求解剪切裂纹的尺度
包括：量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功、摩擦耗能、表面能及 动能和根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度，具体包括：
步骤4.1、量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功
假设剪切裂纹是圆盘状，且是瞬时形成的，破裂面上剪切应力随错动量线性 降低直至裂纹停止错动。剪切面上的摩擦阻力可用下式表示：
τf＝σntan(φb+JRClog(JCS/σn)) (9)
式中，τf为剪切面上的摩擦阻力，单位MPa；φb为基本摩擦角，单位°；JRC 为滑动面粗糙度系数，可选取多个出露剪切裂纹的平均值；JCS为破裂面抗压强 度，单位MPa，对于新生破裂面JCS等于岩石单轴抗压强度；
裂纹形成及错动过程中驱动力做的功Uw可用下式计算：
Figure BDA0002330648920000121
式中，Uw为驱动力做功，单位J；τ0为裂纹面上的初始剪切应力，单位MPa， 由数值模型求解得到；τa为裂纹形成及错动变形完成后裂纹面上的最终剪切应 力，单位MPa；a为裂纹面的半径，单位m；
步骤4.2、量化剪切裂纹形成及错动过程中摩擦耗能、表面能及动能
裂纹形成及错动过程中的摩擦耗能Uf、表面能Us及动能Uk分别由下述公式 量化表述：
Figure BDA0002330648920000131
Figure BDA0002330648920000132
Figure BDA0002330648920000133
式中，Uf、Us及Uk分别为摩擦耗能、表面能及动能，单位J；VC为P或SH 或SV波的波速(VSH＝VSV)，单位m/s；RC为微震传感器处对应的P或SH或SV波 辐射花样系数；<RC>为P或SH或SV波的平均辐射花样系数；L为震源与传感器的 距离，单位m；JC为P或SH或SV波的辐射能量通量，单位J，利用微震传感器接 收到的微震波形计算；
步骤4.3、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度
裂纹形成及错动过程中的能量守恒定律可表示为下式：
Uw＝Us+Uk+Uf (14)
将式(10)-(13)代入式(14)，移项并合并同类项可得剪切裂纹尺度计算方程：
Figure BDA0002330648920000134
其中，τa＝1.34τf-0.34τ0。
求解方程(15)即可得到剪切裂纹尺度a。
步骤5、建立剪切裂纹可视化模型
包括：建立剪切裂纹尺度数据库和三维可视化剪切裂纹，具体包括：
步骤5.1、建立剪切裂纹尺度数据库
基于上述步骤计算结果，按照破裂面空间位置X、Y、Z，破裂面法向量n 以及剪切裂纹尺度a的格式建立数据库；
步骤5.2、三维可视化剪切裂纹
对CAD进行二次开发，使其能够读取剪切裂纹尺度数据库并生成裂纹的三 维模型(圆盘状)，实现剪切裂纹的三维可视化。
实施例：
1、通过室内实验确定岩石的物理力学参数，结果如表1所示。其中测定内 摩擦角及剪切断裂韧度的实验方式分别如图1、2所示。
表1
Figure BDA0002330648920000141
2、在工程现场安装微震监测系统，传感器坐标如表2所示。
表2
Figure BDA0002330648920000142
3、利用微震监测系统采集岩体破裂诱发的微震波，对微震传感器接收到的波 形进行人工或自动波形到时拾取工作(图3)，基于波形到时利用Geiger定位算 法计算破裂面的三维空间坐标，提取波形的初动振幅并进行矩张量反演，进而计 算节平面的法向量，部分破裂面三维坐标及对应的节平面法向量如表3所示。
表3
Figure BDA0002330648920000143
Figure BDA0002330648920000151
4、根据工程实际建立三维数值模型(图4)并求解开挖过程中不同工况下 岩体的应力场分布(图5)。
5、基于三维应力场，结合破裂面空间位置对应的应力状态及节平面法向量， 判断破裂面及其受力状态。
表4
Figure BDA0002330648920000152
6、分别计算剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功、摩擦耗能、表面能 及动能(微震能量)，如表5所示。
表5
Figure BDA0002330648920000153
Figure BDA0002330648920000161
7、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度，结果如表5所示。
表6
序号 剪切裂纹的尺度(m)
1 2.96064975654519
2 2.14981271276924
3 5.60862866884095
4 3.49185531982517
5 4.14584796359685
6 2.49104787740685
7 9.73921397017955
8 6.73274082359832
9 8.43744321781418
10 7.65647081392174
11 7.09193499392553
8、根据计算结果建立剪切裂纹尺度数据库并三维可视化剪切裂纹，如图6 所示。

Claims (6)

1.一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定岩石的物理力学参数
依次利用量积法测量岩石的密度、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度；
步骤2、根据微震监测数据确定破裂面的节平面法向量
在工程现场安装微震监测系统、确定破裂面的空间位置、提取波形的初动振幅及矩张量反演、计算节平面的法向量；
步骤3、结合数值模拟方法确定破裂面及其受力状态
根据工程实际建立三维数值模型、求解开挖过程中岩体的应力场分布、确定破裂面及其受力状态；
步骤4、求解剪切裂纹的尺度
量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功、摩擦耗能、表面能及动能、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度；
步骤5、建立剪切裂纹可视化模型
建立剪切裂纹尺度数据库、三维可视化剪切裂纹。
2.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤1中具体步骤包括：
步骤1.1、利用量积法测量岩石的密度
将从现场取样的岩块加工成Φ50×100mm的标准试样，用天平称其质量，然后用游标卡尺测量其尺寸并计算其体积，两者相除得到岩石的密度；
步骤1.2、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度弹性模量及泊松比
在试样表面粘贴应变片，通过压力机进行单轴压缩实验，单轴抗压强度岩石能承受的最大压应力，通过压力机的压力数据及应变片的应变数据可确定岩石的弹性模量E及泊松比ν：
Figure FDA0002330648910000011
Figure FDA0002330648910000021
式中，E为弹性模量，单位MPa；σ50为单轴抗压强度的50％，单位MPa；εr50为应为单轴抗压强度的50％时的轴向应变；ν为泊松比；εa50为单轴抗压强度的50％时的横向应变；
步骤1.3、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角
使用Φ50×100mm的标准试样，在不同的围压下进行三组三轴压缩实验，获得三组围压及对应的三轴压缩强度，基于这三组实验数据绘制莫尔圆并利用莫尔库伦准则拟合求解岩石的内摩擦角；
步骤1.4、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角
将从现场取样的岩块加工成25×100×100mm的岩板两块；对两岩板施加1个恒定的正应力和1个逐渐增加的剪应力，随着剪应力的增加，沿着平行于剪切力的方向发生位移，通过最大剪应力与正应力之比来计算岩石的基本摩擦角；
步骤1.5、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度
将从现场取样的岩块加工成50×50×50mm的正方体试样，并在试样的左右两侧面中部各切一贯穿性切口，将试样放入剪切盒中进行剪切实验，根据岩石破坏时对应的最大荷载p可通过下式计算岩石的剪切断裂韧度：
Figure FDA0002330648910000022
式中，KII为剪切断裂韧度，单位Mpa·m0.5；p为最大荷载，单位N；B为试样厚度，单位m；d为切口的长度为，单位m；W为试样宽度，单位m；α为切口的倾角，单位°；
Figure FDA0002330648910000023
为岩石的内摩擦角，单位°；
Figure FDA0002330648910000024
为试样的形状系数,
Figure FDA0002330648910000025
3.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤2中具体步骤包括：
步骤2.1、在工程现场安装微震监测系统
在岩体表面钻孔(孔深>2m，孔径>微震传感器直径+5cm)，将微震传感器安置在钻孔内，利用线缆连接传感器及采集仪，形成完整的微震监测系统；
步骤2.2、确定破裂面的空间位置
利用已安装的微震监测系统采集岩体破裂诱发的微震波，对微震传感器接收到的波形进行人工或自动波形到时拾取工作，基于波形到时利用单纯型或Geiger定位算法计算破裂面的三维空间坐标；
步骤2.3、提取波形的初动振幅及矩张量反演
在确定破裂面的空间位置的基础之上，选取所诱发微震波触发微震传感器数量超过6的破裂事件(6个以下无法进行矩张量反演)作为样本数据，将波形到时后第一个波包的最大值(幅值为正)或最小值(幅值为负)作为该波形的初动振幅。根据矩张量理论，微震波的初动振幅uk与矩张量Mij的关系可以用下式表示：
Figure FDA0002330648910000031
式中，uk为微震波的初动振幅，单位m；Mij为矩张量，单位N·m；Re(t,r)为微震传感器与岩石界面的反射系数，t为微震传感器的方向向量，r＝(r1 r2 r3)为自破裂面位置到微震传感器的方向向量，L为破裂面位置及微震传感器之间的距离，单位m；
初步求解矩张量Mij后，将矩张量Mij作为已知量再通过上式来反分析微震传感器接收到的理论初动振幅，利用理论初动振幅及实际观察到的初动振幅之比来检验微震传感器i在微震事件j的矩张量反演过程中的有效性，如果比值远大于或远小于1，则利用下式动态的修正微震传感器接收到的初动振幅：
Figure FDA0002330648910000032
式中，
Figure FDA0002330648910000033
为修正后的初动振幅，单位m；
Figure FDA0002330648910000034
为修正前的初动振幅，单位m；wi为权重系数，
Figure FDA0002330648910000035
为微震传感器i对应的理论初动振幅及实际观察到的初动振幅之比的中位数；重复这一步骤，直至修正后的初动振幅及实际观察到的初动振幅之比接近1为止；此时，通过修正后的初动振幅计算得的矩张量结果作为最终结果；
步骤2.4、计算节平面的法向量
求解矩张量Mij的特征值M1、M2、M3(M1>M2>M3)及特征向量(e1、e2、e3)，根据矩张量中特征值与特征向量间的关系，节平面的法向量n及位移向量v利用下式计算：
Figure FDA0002330648910000041
在剪切震源中，n与v之间可以互换，即剪切裂纹的法向方向可能为其中的任意一个。
4.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤3中具体步骤包括：
步骤3.1、根据工程实际建立三维数值模型
根据钻孔数据库生成钻孔柱状图并按其真实坐标调整至对应的空间位置中，将同一岩性的顶、底板分别相连，形成各岩性的地质剖面图，利用放样命令通过指定一系列相同岩性的剖面来创建不同岩性的三维实体地质模型；将三维实体地质模型导入数值模拟软件中，对数值模型进行网格划分，对不同岩性内的网格单元进行赋值并施加边界条件(法向位移约束)；
步骤3.2、求解开挖过程中岩体的应力场分布
根据开挖的实际过程不断改变数值模型，这里采用杀死单元(将已开挖处的单元弹性模量降至极低)的方法表现整个开挖过程中的不同工况，对每一种工况下的数值模型进行求解，得到对应工况下岩体中的三维应力场分布状态；
步骤3.3、确定破裂面及其受力状态
在三维应力场中查找破裂面空间位置对应的应力状态(三向主应力的方向及大小)，结合节平面法向量按照下式来计算节平面上的正应力σn及剪切应力τ：
σn＝σ1l1 2+σ2l2 2+σ3l3 2 (7)
τ＝[(σ1-σ2)2l1 2l2 2+(σ2-σ3)2l2 2l3 2+(σ1-σ3)2l1 2l3 2]1/2 (8)
式中，σn为节平面上的正应力，单位MPa；τ为节平面上的剪切应力，单位MPa；σ1，σ2及σ3分别为节平面处的主应力，单位MPa，由数值模型求解得到；l1，l2及l3为节平面法向量及主应力σ1，σ2及σ3间夹角的余弦。
求解节平面上剪切应力τ与正应力σn的比值Ts，由于Ts越大，越容易发生剪切破坏；因此，将Ts较大的一个节平面确定为实际的破裂面，而该节平面对应的正应力及剪切应力即为破裂面的实际受力状态。
5.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤4中具体步骤包括：
步骤4.1、量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功
假设剪切裂纹是圆盘状，且是瞬时形成的，破裂面上剪切应力随错动量线性降低直至裂纹停止错动。剪切面上的摩擦阻力可用下式表示：
τf＝σntan(φb+JRClog(JCS/σn)) (9)
式中，τf为剪切面上的摩擦阻力，单位MPa；φb为基本摩擦角，单位°；JRC为滑动面粗糙度系数，可选取多个出露剪切裂纹的平均值；JCS为破裂面抗压强度，单位MPa，对于新生破裂面JCS等于岩石单轴抗压强度；
裂纹形成及错动过程中驱动力做的功Uw可用下式计算：
Figure FDA0002330648910000051
式中，Uw为驱动力做功，单位J；τ0为裂纹面上的初始剪切应力，单位MPa，由数值模型求解得到；τa为裂纹形成及错动变形完成后裂纹面上的最终剪切应力，单位MPa；a为裂纹面的半径，单位m；
步骤4.2、量化剪切裂纹形成及错动过程中摩擦耗能、表面能及动能
裂纹形成及错动过程中的摩擦耗能Uf、表面能Us及动能Uk分别由下述公式量化表述：
Figure FDA0002330648910000052
Figure FDA0002330648910000053
Figure FDA0002330648910000054
式中，Uf、Us及Uk分别为摩擦耗能、表面能及动能，单位J；VC为P或SH或SV波的波速(VSH＝VSV)，单位m/s；RC为微震传感器处对应的P或SH或SV波辐射花样系数；<RC>为P或SH或SV波的平均辐射花样系数；L为震源与传感器的距离，单位m；JC为P或SH或SV波的辐射能量通量，单位J，利用微震传感器接收到的微震波形计算；
步骤4.3、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度
裂纹形成及错动过程中的能量守恒定律可表示为下式：
Uw＝Us+Uk+Uf (14)
将式(10)-(13)代入式(14)，移项并合并同类项可得剪切裂纹尺度计算方程：
Figure FDA0002330648910000061
其中，τa＝1.34τf-0.34τ0。
求解方程(15)即可得到剪切裂纹尺度a。
6.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤5中具体步骤包括：
步骤5.1、建立剪切裂纹尺度数据库
基于以上计算结果，按照破裂面空间位置X、Y、Z，破裂面法向量n以及剪切裂纹尺度a的格式建立数据库；
步骤5.2、三维可视化剪切裂纹
对CAD进行二次开发，使其能够读取剪切裂纹尺度数据库并生成裂纹的三维模型(圆盘状)，实现剪切裂纹的三维可视化。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112730056A (zh) * 2020-12-21 2021-04-30 北京建筑大学 一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法
CN113218766A (zh) * 2021-05-27 2021-08-06 江西理工大学 一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法
CN113533042A (zh) * 2021-07-07 2021-10-22 北京科技大学 一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用
CN114113335A (zh) * 2021-12-10 2022-03-01 东北大学 基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法
CN114236099A (zh) * 2021-01-20 2022-03-25 中国矿业大学(北京) 基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法
CN115077437A (zh) * 2022-05-13 2022-09-20 东北大学 基于声发射定位约束的岩石水力压裂裂缝形态表征方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106154307A (zh) * 2016-06-21 2016-11-23 中国矿业大学 一种煤岩冲击失稳模式的微震识别方法
US20170074997A1 (en) * 2015-09-16 2017-03-16 Schlumberger Technology Corporation Bayseian microseismic source inversion
CN107101887A (zh) * 2017-05-09 2017-08-29 东北大学 一种声发射与数值计算相结合的岩石破裂过程分析方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170074997A1 (en) * 2015-09-16 2017-03-16 Schlumberger Technology Corporation Bayseian microseismic source inversion
CN106154307A (zh) * 2016-06-21 2016-11-23 中国矿业大学 一种煤岩冲击失稳模式的微震识别方法
CN107101887A (zh) * 2017-05-09 2017-08-29 东北大学 一种声发射与数值计算相结合的岩石破裂过程分析方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴顺川 等: "岩体破裂矩张量反演方法及其应用", 《岩土力学》 *
孙宗硕 等: "剪切断裂韧度(lK cl) 确定的研究", 《岩土力学与工程学报》 *
明华军 等: "基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析", 《岩土力学》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112730056A (zh) * 2020-12-21 2021-04-30 北京建筑大学 一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法
CN114236099A (zh) * 2021-01-20 2022-03-25 中国矿业大学(北京) 基于能量传递守恒的煤矿开采损伤范围确定方法
CN113218766A (zh) * 2021-05-27 2021-08-06 江西理工大学 一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法
CN113218766B (zh) * 2021-05-27 2022-12-06 江西理工大学 一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法
CN113533042A (zh) * 2021-07-07 2021-10-22 北京科技大学 一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用
CN114113335A (zh) * 2021-12-10 2022-03-01 东北大学 基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法
CN114113335B (zh) * 2021-12-10 2023-12-22 东北大学 基于声发射/微震监测的岩石耗散能时空分布量化方法
CN115077437A (zh) * 2022-05-13 2022-09-20 东北大学 基于声发射定位约束的岩石水力压裂裂缝形态表征方法

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