CN111141620A - 用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，涉及围岩热损伤技术领域，利用岩石受热损伤力学参数进行反演，结合热破裂产生的声发射信号评价围岩损伤破坏程度和位置，包括：A.实验室原位测试未受高温影响围岩在温压条件下的力学参数和声发射特征，然后对工程评价区受高温条件影响的围岩试样进行原位受载测试；得到应力和声发射信息，反演围岩经受的温度范围；B.布置地面和井下联合钻孔，安装声发射传感器，通过分析声发射时序变化特征得到围岩经受温度损伤破裂的动态演化过程；C.根据多点声发射信息判定围岩损伤破坏程度和围岩损伤位置；该方法解决了高温环境下围岩热稳定性判断的问题，具有操作简便、时空定位准确等优点。

Description

用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法
技术领域
本发明涉及围岩热损伤监测技术领域，尤其是一种用于地下工程的高温条件下围岩热稳 定性声发射评价方法。
背景技术
地下空间的安全问题越来越受到重视，尤其是在地下工程施工时，围岩经受高温作用或 者经受高温烘烤后，围岩的稳定性会发生很大变化，高温条件对围岩的影响一直是本领域研 究的难题。同时，煤炭、石油、天然气以及可再生能源等对经济和社会的发展具有重要作用， 随着技术的发展，煤层气的开发、煤地下干馏和煤的地下气化以及地热资源的开发也越来越 受到重视，煤地下干馏、煤地下气化和液化技术主要针对煤的二次开采，这种技术伴随着大 量的化学变化，而且必须对煤进行加热。当煤层升温后必然会引起周围岩层的升温，进而导 致岩石的力学性质及化学成分的改变，引发围岩失稳的危险。
另外地下工程中的地热资源开发，一般情况下首先是钻第一口井到高温岩体区域，通过 压裂形成垂直裂缝，然后在钻第二口井进入已形成的裂缝，最后从第一口井注水，经过裂缝 加热，从另外一口井排出，用于发电和供热。然而对于高温高压环境下的井孔围岩，其岩体 的强度显著降低。对于地热井井壁围岩，由于高温高压及其钻井液的存在，使得井壁的稳定 性变得复杂化，在温度变化的作用下会使得岩石的力学特性产生变化，这对于地热资源的开 发及利用有着很大的影响。
由于地下工程中遇到高温环境会存在围岩热稳定性问题，所以对高温作用下围岩热稳定 性评价对于地下工程安全具有重要意义。但是由于目前的监测方法难以对煤岩动力灾害或者 地下工程中围岩稳定性进行探测和防治，尤其是高温条件下，涉及温度场和应力场的多场耦 合问题，现有的监测预警方法难以准确的进行监测。在高温的作用下，岩石的力学特性，尤 其是延脆性会发生很大的变化，声发射特征也与常温下的围岩破裂特征存在差异。为此，需 要对现有的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性评价方法做进一步的改进。
发明内容
为了解决了高温环境下围岩热稳定性判断困难的技术问题，本发明提供一种操作简便， 监测性能稳定、时空定位准确的评价方法，一种用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声 发射评价方法，具体技术方案如下。
用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，利用岩石受热损伤力学参数 进行反演，结合热破裂产生的声发射信号确定围岩损伤破坏程度和位置，步骤包括：
步骤A.实验室原位测试温压条件下未受温度损伤的围岩波速、峰值应力和声发射信息， 进行多次测试得到试样经受温度与应力峰值的拟合关系；对工程评价区受高温条件影响的围 岩试样进行原位受载测试，得到应力和声发射信息；根据测得的应力和声发射信息，综合反 演围岩经受的温度范围；
步骤B.确定待评价区域，布置地面和井下联合钻孔安装声发射传感器，通过分析声发射 时序变化特征得到围岩经受温度损伤破裂的动态演化过程；
步骤C.根据多点声发射信息判定围岩损伤破坏程度和围岩损伤位置。
优选的是，步骤A中具体包括：
A1.对工程现场未受温度损伤的围岩取样，制作标准岩石试样，对岩石试样进行温度-载 荷的原位受载破坏实验和声发射测试，设定温度并进行应力加载，应力加载采用位移加载方 式，多次测试得到多个温度条件下围岩的应力应变结果，拟合得到岩石试样温度与应力峰值 的关系式；
A2.在地下工程区域评价时，采集地下工程评价区围岩并制作成标准试样，实验室进行原 位受载破坏试验和声发射测试，得到应力峰值与声发射信息的关系；
A3.将A2中的应力峰值测试结果带入岩石试样温度与应力峰值的关系式，反演确定围岩 所受温度的范围，对比A1和A2中监测的声发射信息，根据声发射的记忆特征对围岩经受温 度进行反演，综合岩石试样的应力和声发射信息判定其热稳定性。
还优选的是，待评价区域为地下工程区域，在地下工程评价区域布置钻孔，布置测点后 向地下工程评价区域边缘打设立井，再向地下工程评价区域外围受热力影响的岩层边缘钻孔， 岩层边缘的钻孔平行于地下工程评价区域，再向钻孔中布置声发射传感器形成监测钻孔。
进一步优选的是，声发射传感器的探头放至钻孔底部后，灌注水泥浆保证声发射传感器 与孔壁接触，待评价区域地面和井下的钻孔数量均大于6个。
进一步优选的是，地面钻孔和井下钻孔中安装不同频率的声发射传感器，根据测试距离 选择声发射传感器的频率。
进一步优选的是，声发射传感器的监测具体是：根据声发射的强度增减趋势判断围岩损 伤破裂的动态演化过程；若声发射强度增大，则判定围岩损伤破坏程度增大；根据多个测点 的声发射信息，定位产生声发射的破裂源，根据待评价区域内的监测形成可视化的围岩动态 稳定性监测。
本发明的有益效果包括：
(1)提供了一种用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，该方法可以 应用于地下工程过火围岩稳定性的监测及评价，以及煤炭地下气化、地热开发等高温环境下 的围岩稳定性评价和定位监测；利用声发射信号进行监测，保证了监测性能的稳定，而且利 用了声发射的时空定位能力。
(2)该方法结合了室内试验和现场监测应用，还可以结合人工智能对现场监测进行改进， 简化了高温影响下围岩稳定性的监测步骤，操作更加简便；监测过程不会影响正常的生产、 施工，高效快捷的评价并预警围岩损伤位置及损伤演化过程，对围岩的热损伤稳定性监测具 有重要的意义。
附图说明
图1是用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法的原理流程图；
图2是地下煤层气开采中煤层和岩层热稳定性监测图；
图3是地下煤层气开采中煤层和岩层热稳定性监测部分钻孔布置示意图。
图4是温度和应变关系的测试结果示意图；
图5是应力和应变关系的测试结果示意图。
具体实施方式
结合图1至图5所示，本发明提供的一种用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发 射评价方法具体实施方式如下。
实施例1
用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，利用岩石受热损伤力学参数 进行反演，结合热破裂产生的声发射信号确定围岩损伤破坏程度和位置。岩石材料在受温度 条件的影响产生热损伤破坏，岩石在温度和机械载荷作用下的损伤破坏行为，应考虑热损伤- 力耦合效应。高温作用后不同岩石软化特征也不相同，不同温度和不同围压条件下岩石全应 力-应变曲线关系也会发生改变，所以本方法在研究工程现场的围岩特性的基础上，对工程现 场的围岩稳定性进行评价，因此更加可靠，评价结果符合工程实际。
该方法具体的步骤包括：
步骤A.
实验室原位测试温压条件下未受温度损伤的围岩波速、峰值应力和声发射信息，进行多 次测试得到试样经受温度与应力峰值的拟合关系；对工程评价区受高温条件影响的围岩试样 进行原位受载测试，得到应力和声发射信息；根据测得的应力和声发射信息，综合反演围岩 经受的温度范围。
步骤A中具体包括：
A1.在地下工程的掘进施工或其它施工过程中，对未受温度损伤的工程现场围岩取样，取 样后在实验室内制作多个标准岩石试样，对岩石试样进行温度-载荷的原位受载破坏实验和声 发射测试，同步温度和应力加载，其中温度的范围为0-1000℃，选择温度范围可以根据现场 实际可能经受的温度进行选择，岩石试样的应力加载采用位移加载的方式，多次测试得到多 个温度条件下围岩的应力应变结果，拟合得到岩石试样温度t与应力峰值σ的关系式。在测 试的过程中，每组相同的试验条件下选用3个以上的岩石试件进行测试，避免因为试样的不 均质性造成误差。
A2.在地下工程受高温条件影响的待评价区域，取样制作标准岩石试样，实验室进行原位 受载破坏试验和声发射测试，得到应力峰值与声发射信息的关系，其中应力加载的方式与步 骤A1相同。在测试的过程中，每组相同的试验条件下选用3个以上的岩石试件进行测试，避 免因为试样的不均质性带来误差。
A3.将A2中的应力峰值测试结果带入岩石试样温度与应力峰值的关系式，反演确定围岩 所受温度的范围，对比A1和A2中监测的声发射信息，根据声发射的记忆特征对围岩经受温 度进行反演，综合岩石试样的应力和声发射信息判定其热稳定性。
步骤B.
确定待评价区域，布置地面和井下联合钻孔安装声发射传感器，通过分析声发射时序变 化特征得到围岩经受温度损伤破裂的动态演化过程。
其中待评价区域需要考虑的地质条件包括：岩性、岩石风化特征、软弱夹层和接触带等 物理性质；褶皱、断层等地质构造；水文条件、地形地貌、地表构筑物等情况。
其中，如果待评价区域可以为地下煤层气化区域、核废料存放区域等高温区域，在待评 价的地下工程区域布置钻孔，以地下煤层气化区域为例，布置测点后向地下煤层气化区域边 缘打设立井，再向地下煤层气化区域外围受热力影响的岩层边缘钻孔，岩层边缘的钻孔平行 于煤层，再向钻孔中布置声发射传感器形成监测钻孔。声发射传感器的探头放至钻孔底部后， 灌注水泥浆保证声发射传感器与孔壁接触，待评价区域地面和井下的钻孔数量均大于6个。
地面钻孔和井下钻孔中安装不同频率的声发射传感器，根据测试距离选择声发射传感器 的频率；频率的大小与测试距离有关系，根据地下工程条件进行钻孔测点的布置和频率的选 取。其中块石胶结充填体声发射信号峰值频率的主频为200～250kHz，坚硬岩层等选择高频 段400～450kHz、450～500kHz；近距离的选择400kHz以下的高频，远距离的选择250kHz 以下的低频。声发射传感器的监测具体是：根据声发射的强度增减趋势判断围岩损伤破裂的 动态演化过程；若声发射强度增大，则判定围岩损伤破坏程度增大，由此可以根据声发射探 测的时间和声发射信号的强度变化分析其损伤动态演化过程。
步骤C.
根据多点声发射信息判定围岩损伤破坏程度和围岩损伤位置。另外还可以根据多个测点 的声发射信息进行定位，其中多个测点不应该在同一平面内，满足空间定位的需要，定位产 生声发射的破裂源，根据待评价区域内的监测形成可视化的围岩动态稳定性监测，监测可以 每天3次，每次1个小时。
三个声发射传感器便可以确定产生破裂能量的点，因此三个钻孔不能在同一个平面内。 声发射传感器实时收集声发射信号，间接监测围岩稳定性的变化的状态，通过声发射时序变 化分析围岩所经受温度损伤的动态演化过程，通过声发射空间信号特征对围岩的损伤进行评 价与定位。
另外该方法还可以应用于地热资源开发工程条件下的井下围岩稳定性监测和评价，或者 其他高温条件下围岩的稳定性监测评价。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，对用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价 方法中的步骤A做进一步的详细说明。
实验室原位测试温压条件下未受温度损伤的围岩波速、峰值应力和声发射信息，进行多 次测试得到试样经受温度与应力峰值的拟合关系。对工程评价区受高温条件影响的围岩试样 进行原位受载测试，得到应力和声发射信息。选择未受温度损伤的工程煤岩试样进行温度和 应力加载，从而在实验室得到应力峰值与温度的拟合关系，再从待评价区域取受温度损伤后 的煤岩试样进行应力加载，从而可以根据测得的应力和声发射信息，综合反演围岩经受的温 度范围。
步骤A中具体包括：
A1.在某矿地下煤层气化工程的掘进施工或其它施工过程中，对煤层气化之前未受温度损 伤的工程现场围岩取样，取样后在实验室内制作多个标准岩石试样，标准圆柱体试样尺寸Φ 50×100mm，对岩石试样进行温度-载荷的原位受载破坏实验和声发射测试，同步温度和应力 加载。高温加热设备为QSHQSH-1200T箱式高温炉，最高工作温度为1200℃，加热速率为0～ 30℃/min。该设备控制精度高、抗干扰性能强、操作简单，具有超温、断偶报警功能等优 点。声发射监测设备采用Rock Test for Express–8全数字化声发全数字化声发射监测系统； 波速测试仪选用ZBL-U520非金属检测仪，声时精度0.05us，接收灵敏度小于30uv。试验温 度选择为30，100,200,300,400,500,600,800℃多次测试得到多个温度条件下围岩的 应力应变结果。在测试的过程中，每组相同的试验条件下选用4个岩石试件进行测试，得到 应力应变曲线峰值，以及温度之间的关系，测试结果如图4和图5所示，对测试数据进行拟 合,拟合后可以得到岩石试样温度t与应力峰值σ的关系式。
根据声发射的测试，不同温度条件下岩石试件变形破裂声发射能量随温度变化分为常温， 100-200℃，300-500℃，600-1000℃四个特征温度区域，常温下砂岩在初始压密阶段产生较 少的声发射信号，随着载荷增加，声发射能量呈逐渐增大并出现小的峰值，非稳定破坏阶段， 声发射能量达到最大值。100-200℃特征温度区域内，砂岩裂隙闭合，内部结构变得更加致密， 声发射信号没有常温时丰富。300-500℃特征温度区域内，砂岩内部损伤增大，微破裂加剧， 整个加载过程中声发射信号变得密集。600-1000℃特征温度区域内砂岩在初始压密阶段产生 大量的声发射信号，尤其是800℃以后声发射在压密阶段的变化明显，砂岩在失稳破坏时声 发射能量发生突变。
A2.在地下工程受高温条件影响的待评价区域，取样制作标准岩石试样，实验室进行原位 受载破坏试验和声发射测试，得到应力峰值与声发射信息的关系，其中应力加载的方式与步 骤A1相同。在测试的过程中，每组相同的试验条件下选用4个岩石试件进行测试，避免因为 试样的不均质性造成误差，得到测试结果。
A3.将A2中的应力峰值测试结果带入岩石试样温度与应力峰值的拟合关系中，反演确定 围岩所受温度的范围，通过对比A1和A2中监测的声发射信息，根据声发射的记忆特征对围 岩经受温度进行反演，综合岩石试样的应力和声发射信息判定其热稳定性。
结合对步骤A的说明，可以根据试验结果具体拟合不同条件下的温度t与应力峰值σ的 关系，在评价受高温条件影响的地下工程围岩稳定性时，通过对受高温影响后的围岩进行测 试，得到应力峰值与声发射信息的关系，将将其带入温度t与应力峰值σ的拟合关系，对围 岩的温度范围进行反演。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。

Claims (6)

1.用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，利用岩石受热损伤力学参数进行反演，结合热破裂产生的声发射信号确定围岩损伤破坏程度和位置，步骤包括：
步骤A.实验室原位测试温压条件下未受温度损伤的围岩波速、峰值应力和声发射信息，进行多次测试得到试样经受温度与应力峰值的拟合关系；对工程评价区受高温条件影响的围岩试样进行原位受载测试，得到应力和声发射信息；根据测得的应力和声发射信息，综合反演围岩经受的温度范围；
步骤B.确定待评价区域，布置地面和井下联合钻孔安装声发射传感器，通过分析声发射时序变化特征得到围岩经受温度损伤破裂的动态演化过程；
步骤C.根据多点声发射信息判定围岩损伤破坏程度和围岩损伤位置。
2.根据权利要求1所述的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，所述步骤A中具体包括：
A1.对工程现场未受温度损伤的围岩取样，制作标准岩石试样，对岩石试样进行温度-载荷的原位受载破坏实验和声发射测试，设定温度并进行应力加载，应力加载采用位移加载方式，多次测试得到多个温度条件下围岩的应力应变结果，拟合得到岩石试样温度与应力峰值的关系式；
A2.在地下工程区域评价时，采集地下工程评价区围岩并制作成标准试样，实验室进行原位受载破坏试验和声发射测试，得到应力峰值与声发射信息的关系；
A3.将A2中的应力峰值测试结果带入岩石试样温度与应力峰值的关系式，反演确定围岩所受温度的范围，对比A1和A2中监测的声发射信息，根据声发射的记忆特征对围岩经受温度进行反演，综合岩石试样的应力和声发射信息判定其热稳定性。
3.根据权利要求1所述的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，在具有高温环境的地下工程待评价区域布置钻孔，布置测点后向地下工程待评价区域边缘打设立井，再向地下工程区域待评价区域外围受热力影响的岩层边缘钻孔，岩层边缘的钻孔平行于地下工程待评价区域，再向钻孔中布置声发射传感器形成监测钻孔。
4.根据权利要求3所述的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，所述声发射传感器的探头放至钻孔底部后，灌注水泥浆保证声发射传感器与孔壁接触，待评价区域的地面和井下钻孔数量均大于6个。
5.根据权利要求4所述的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，所述地面钻孔和井下钻孔中安装不同频率的声发射传感器，根据测试距离选择声发射传感器的频率。
6.根据权利要求4所述的用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法，其特征在于，所述声发射传感器的监测具体是：根据声发射的强度增减趋势判断围岩损伤破裂的动态演化过程；若声发射强度呈现增大的变化趋势，则判定围岩损伤破坏程度增大；根据多个测点的声发射信息，定位产生声发射的破裂源，根据待评价区域内的监测形成可视化的围岩动态稳定性监测。
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