CN111353239A - 岩石脆性指数计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石脆性指数计算方法及装置，本发明所提供的岩石脆性指数计算方法特征在于，包括如下步骤：步骤1.获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r与残余应变ε_r；步骤2.采用岩石脆性指数计算公式

计算得到岩石脆性指数B_new。本发明所提供的计算方法能同时反映应力跌落幅度、应力跌落速度、应变增大幅度与峰前特征，能够全面、准确地得到岩石脆性指数；4个计算参数物理意义明确(容易获取)，工程实用性强。

Description

岩石脆性指数计算方法及装置

技术领域

本发明属于岩石力学与采矿领域，具体涉及岩石脆性指数计算方法及装置。

背景技术

脆性，是岩石的重要力学特性之一。不同的岩石，脆性程度不同，可用材料评价参数——脆性指数表示：岩石越表现为脆性，脆性指数越大；岩石越表现为脆性的反面——韧性，脆性指数越小。

岩石脆性与岩石破裂之间，具有很强的相关性：脆性越强，越容易破裂。为此，岩石脆性指数被广泛应用于岩石工程中：在隧道/巷道、采矿、水利等工程中，其是表征岩石可钻性、可掘性的关键指标；在石油与天然气工程中，其是评价页岩气等储层力学特性与压裂效果的关键指标；在岩爆灾害防治中，其是衡量岩爆风险的关键指标。所以，发明一种更准确的岩石脆性指数计算方法，具有重大的工程应用价值(例如，用于川藏铁路隧道工程中)。

岩石脆性指数与岩石应力—应变曲线(见图1)之间具有很强的相关性(主要通过峰后曲线形状反映，见图2)：应力跌落幅度越大，岩石越表现为脆性；应力跌落速度越大，岩石越表现为脆性；应变增大幅度越小，岩石越表现为脆性。为此，从计算原理上讲，一种岩石脆性指数计算方法，只有能全面反映峰后应力跌落特征(应力跌落幅度+应力跌落速度+应变增大幅度)，才能尽可能全面评价岩石的脆性，保证其计算结果更准确，以确保基于岩石脆性指数做出的岩石工程预测更准确。岩石脆性指数计算的准确与否，直接决定相关岩石工程施工的安全性。例如，在隧道工程中，如果岩石脆性指数计算不准确，直接影响岩石可掘性评价(在哪一层岩石掘进隧道更容易，哪些掘进机参数更匹配)，进而影响到掘进机掘进速度的预测，最终影响到采取的施工方法。

然而，现有的岩石脆性指数计算方法，一部分仅能反映应力跌落幅度(见图3)，另一部分仅能反映应力跌落速度(见图4)，没有综合考虑两个特征(应力跌落与应变增大)，因而都不能全面反映峰后应力跌落特征，导致无法获得准确的计算结果。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种岩石脆性指数计算方法及装置，能够准确地计算出岩石脆性指数，全面反映峰后应力跌落特征。

本发明为了实现上述目的，采用以下方案：

<方法>

本发明提供一种岩石脆性指数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r；步骤2.采用岩石脆性指数计算公式

计算得到岩石脆性指数B_new。

优选地，本发明提供的岩石脆性指数计算方法还可以包括：在步骤1中，对待测岩石进行应力应变测试，得到应力—应变曲线，根据应力—应变曲线获取峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个参数。

<装置>

进一步，本发明还提供一种岩石脆性指数计算装置，其特征在于，包括：参数获取部，获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r；计算部，与参数获取部通信相连，采用岩石脆性指数计算公式

带入参数获取部获取的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r，计算得到岩石脆性指数B_new；以及控制部，与参数获取部和计算部均通信相连，控制参数获取部和计算部的运行。

优选地，本发明提供的岩石脆性指数计算装置还可以包括：测试部，对待测岩石进行应力应变测试，得到应力—应变曲线；其中，参数获取部与测试部通信相连，根据应力—应变曲线获取峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个参数值。

优选地，本发明提供的岩石脆性指数计算装置还可以包括：输入显示部，与参数获取部、计算部、测试部和控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并显示计算出的岩石脆性指数B_new。

优选地，本发明提供的岩石脆性指数计算装置还可以具有以下特征：输入显示部还对应力—应变曲线图像和峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r进行显示。

发明的作用与效果

与现有技术相比，本发明提供的岩石脆性指数计算方法能同时反映应力跌落幅度、应力跌落速度、峰前特征(见图5与图6)，并且4个计算参数(峰值应力σ_p与峰值应变ε_p，残余应力σ_r与残余应变ε_r)，在岩石力学中都具有明确的物理意义，属于非常容易获取的计算参数。这克服了现有的很多脆性指数计算方法存在的通病：计算公式复杂，计算参数物理意义不明确(不易获取)。因此，本发明所提供的计算方法计算过程简单，参数容易获取，并且能够全面、准确地得到岩石脆性指数，很容易将其应用到隧道、页岩气压裂等岩石工程中，工程实用性强，能够切实确保基于岩石脆性指数做出的岩石工程施工过程顺利、可靠、安全进行。

具体地，本计算方法在应力跌落速度保持不变(

中的

保持不变)的前提下，

得到的脆性指数B_new不相等，峰前特征也不相同(杨氏模量

依次降低：

)(见图5)。同理，在应力跌落速度保持不变(

中的

保持不变)的前提下，

得到的脆性指数B_new不相等，峰前特征也不相同(峰前杨氏模量

依次降低：

)(见图6)；因而能够全面地反映应力跌落幅度、应力跌落速度和峰前特征，进而能够准确得到岩石脆性指数。

另外，本方法既适用于岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类天然岩石，也适用于混凝土、陶瓷、石膏等类岩石材料与玻璃等脆性材料。

进一步，本发明所提供的岩石脆性指数计算装置，通过参数获取部获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r这四个参数，然后再通过计算部采用岩石脆性指数计算公式

进行计算，就能够得到岩石脆性指数B_new，计算简单、高效，而且结果准确，有利于岩石工程中高效准确获取岩石脆性指数，以加快工程进展，确保施工效率和安全性。

附图说明

图1为背景技术中涉及的岩石应力—应变曲线的示意图；

图2为背景技术中涉及的岩石脆性表征的示意图；

图3为背景技术中涉及的应力跌落幅度相等、应力跌落速度不相等的示意图；

图4为背景技术中涉及的应力跌落幅度不相等、应力跌落速度相等的示意图；

图5为本发明涉及的残余应变ε_r固定、峰值应力σ_p改变的示意图；

图6为本发明涉及的峰值应力σ_p固定、残余应变ε_r改变的示意图；

图7为本发明涉及的岩石脆性指数计算方法的流程图；

图8为本发明实施例涉及的脆性指数—掘进机掘进速度关系的示意图；

图9为对比例一涉及的脆性指数—掘进机掘进速度关系的示意图；

图10为对比例二涉及的脆性指数—掘进机掘进速度关系的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的岩石脆性指数计算方法及装置的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

实验背景：某隧道工程需要根据岩石脆性指数来测定施工掘进速度，本实施例中以某隧道工程涉及的凝灰岩、大理岩、安山岩、花岗岩这五种岩石为例，通过计算它们的脆性指数，实现可掘性比较，从而测定不同岩石的施工掘进速度。

如图7所示，本实施例所提供的岩石脆性指数计算方法，包括如下步骤：

步骤1.采用压缩试验、剪切试验或者拉伸试验，获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个计算参数；

步骤2.将步骤1获取的计算参数带入岩石脆性指数计算公式

中，计算得到岩石脆性指数B_new。

对于五种岩石，均按照以上方法计算岩石脆性指数B_new，参数数据和岩石脆性指数计算结果数据详见下表1。

表1 计算参数及脆性指数、掘进速度

从表1可知，从R1到R5，岩石脆性指数B_new逐渐增大，即脆性逐渐增强。为此，可以确定从R1到R5，岩石的可掘性越来越好，即掘进速度越来越高。

如图8所示，随着岩石脆性指数B_new的增大，掘进速度单调递增。这说明，根据本方法岩石脆性指数确定的掘进速度(从R1到R5，岩石的可掘性越来越好，即掘进速度越来越高)与工程实际(表1中的掘进速度变化趋势)完全吻合。

进一步，本实施例还涉及一种用于自动化实施上述岩石脆性指数计算方法的计算装置，该计算装置包括测试部、参数获取部、计算部、输入显示部、控制部。

测试部通过压缩试验、剪切试验或者拉伸试验对待测岩石进行应力应变测试，得到应力—应变曲线。

参数获取部与测试部通信相连，基于测试部得到的应力—应变曲线，获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r。

计算部与参数获取部通信相连，采用岩石脆性指数计算公式

带入所述参数获取部获取的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r，计算得到岩石脆性指数B_new。

参数获取部与测试部通信相连，根据所述应力—应变曲线获取峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个参数值。

输入显示部与测试部、参数获取部和计算部均通信相连，用于让用户输入操作指令，对所述应力—应变曲线图像和所述峰值应力σ_p、所述峰值应变ε_p、所述残余应力σ_r与所述残余应变ε_r进行显示，并显示计算出的岩石脆性指数B_new，例如以曲线图、表格等形式直观地显示出应力—应变曲线和表1所示的数据表。

控制部与测试部、参数获取部、计算部、以及输入显示部均通信相连，控制它们的运行。

<对比例一>

针对实施例一中同样的隧道工程五种岩石，采用现有技术的岩石脆性指数计算方法(对应图3)，计算岩石脆性指数，计算结果详见上表1中B₁。

从表1可知，从R1到R5，岩石脆性指数B₁并非单调增大。如图9所示，岩石脆性指数B₁预测的结果有偏差：随着岩石脆性指数B₁的增大，掘进速度没有严格单调递增。根源在于：如图3所示，对比例一中的岩石脆性指数计算方法，仅能反映应力跌落幅度，不能区分应力跌落幅度相等、应力跌落速度不相等的情况，结果不够全面，因此准确性差，不能真实反应实际情况。

<对比例二>

针对实施例一中同样的隧道工程五种岩石，采用现有技术的岩石脆性指数计算方法(对应图4)，计算岩石脆性指数，计算结果详见上表1中B₂。

从表1可知，从R1到R5，岩石脆性指数B₂并非单调增大。如图10所示，岩石脆性指数B₂预测的结果有偏差：随着岩石脆性指数B₂的增大，掘进速度没有严格单调递增。根源在于：如图4所示，对比例二中的岩石脆性指数计算方法，仅能反映应力跌落速度，不能区分应力跌落幅度不相等、应力跌落速度相等的情况。

比较图8～10可知，对比例1和对比例2中现有的B₁、B₂，都不能准确计算出岩石脆性，实现可掘性比较；而本发明新提出的B_new克服了上述两种计算方法的缺点(仅能反映应力跌落幅度，或仅能反映应力跌落速度)，能全面反映峰后应力跌落特征(应力跌落幅度+应力跌落速度+应变增大幅度)，从而能全面评价岩石的脆性，计算结果更准确，因而能够确保基于岩石脆性指数做出的岩石工程施工测定结果的可靠性和准确性。

以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的岩石脆性指数计算方法及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种岩石脆性指数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r；

步骤2.采用岩石脆性指数计算公式

计算得到岩石脆性指数B_new。

2.根据权利要求1所述的岩石脆性指数计算方法，其特征在于：

其中，在步骤1中，对待测岩石进行应力应变测试，得到应力—应变曲线，根据应力—应变曲线获取峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个参数。

3.一种岩石脆性指数计算装置，其特征在于，包括：

参数获取部，获取待测岩石的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r；

计算部，与所述参数获取部通信相连，采用岩石脆性指数计算公式

带入所述参数获取部获取的峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r，计算得到岩石脆性指数B_new；以及

控制部，与所述参数获取部和所述计算部均通信相连，控制所述参数获取部和所述计算部的运行。

4.根据权利要求3所述的岩石脆性指数计算装置，其特征在于，还包括：

测试部，对待测岩石进行应力应变测试，得到应力—应变曲线；

其中，所述参数获取部与所述测试部通信相连，根据所述应力—应变曲线获取峰值应力σ_p、峰值应变ε_p、残余应力σ_r、残余应变ε_r四个参数值。

5.根据权利要求4所述的岩石脆性指数计算装置，其特征在于，还包括：

输入显示部，与所述参数获取部、所述计算部、所述测试部和所述控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并显示计算出的岩石脆性指数B_new。

6.根据权利要求5所述的岩石脆性指数计算装置，其特征在于：

其中，所述输入显示部还对所述应力—应变曲线图像和所述峰值应力σ_p、所述峰值应变ε_p、所述残余应力σ_r与所述残余应变ε_r进行显示。

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