CN111999165B - 深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原地应力测试技术领域，提供了一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置及方法，该装置包括变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统、信息采集及处理系统。本发明克服了传统监测仅测量岩石应变的固有思路，将应变监测和声发射监测结合起来，通过测量深部地层原位定向岩芯的滞弹性微应变恢复量，并且利用声学监测系统监测岩芯声发射(能量)和波速场演化，从而可以计算得到岩芯所处地层地应力场三个主应力方向，并研究原地应力下的岩石卸荷后依赖于时间的蠕变机理；本发明装置结构新颖、简单、合理，具有广阔的应用前景。

Description

深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置及方法

技术领域

本发明涉及原地应力测试技术领域，特别涉及一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，浅部矿产资源日益枯竭，矿产资源的开发不断向深部延伸，并且突显得越来越加紧迫。开展深地科学实验，开拓民用地下空间、构筑重要军事设施，更是现代科技、经济、军事发展的现实需求。

地应力的精准测量是深部矿产资源开发和深部地下工程建设面临的重大科技问题，地应力是诱发深部竖井、巷道、硐室等构筑物变形和失稳破坏的根本作用力。因此，开展地应力的精准测量是进行深部地下工程围岩稳定性分析，实现深部地下工程开挖优化设计和决策科学化的必要前提。地应力的测试对地震预报、区域地壳稳定性评价、深部采矿设计与安全、核废料地质封存、油气井稳定的深入研究以及地球动力学的研究具有重要科学意义和现实需求。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置及方法。

本发明装置的原理如下：

本发明系统是基于岩石卸荷后依赖于时间的滞弹性恢复变形(流变学特性)的理论基础。当对岩石施加载荷时，立即产生弹性变形，然后在恒定载荷作用下产生蠕变；当载荷卸去时，弹性恢复瞬间完成，进而发生滞弹性恢复，并且滞弹性恢复应变正比于总恢复应变(包括弹性和滞弹性应变)，进而对于各向同性具有流变特性的岩石，滞弹性应变的恢复量与卸载之前的载荷量(原地应力)有关。因而可以由岩芯的滞弹性应变恢复量确定原地应力的方向，利用滞弹性恢复应变和岩石的滞弹性应变恢复柔量估算原地应力的大小。

本发明采用如下技术方案：

一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，包括变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统、信息采集及处理系统；

所述变形监测系统，用于对岩石试样的多方向变形进行测量；

所述声学监测系统，用于对在滞弹性应变恢复过程中岩石试样内部的声信号进行采集；

所述恒温恒湿系统，用于为岩石试样提供恒温恒湿的试验环境；

所述信息采集及处理系统，采集并处理所述变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统的反馈信号，得出岩石试样所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理。

进一步的，所述变形监测系统包括LVDT固定装置、LVDT微应变传感器；

所述LVDT固定装置设置在岩石试样周围，在岩石试样四周与水平方向夹角为设定角度的方向形成多个传感器通道，所述传感器通道的数量不少于6个；所述传感器通道内放置所述LVDT微应变传感器与第一声发射探头，所述LVDT传感器与岩石试样接触并固定。

进一步的，所述设定夹角为-45°、0°、45°、90°，或-60°、0°、60°、120°。

进一步的，所述声学监测系统包括设置在所述传感器通道内的多个第一声发射探头、及设置在岩石试样两端的2个第二声发射探头。

进一步的，所述信息采集及处理系统包括应变仪、声发射采集仪及处理器，优选为电脑；所述应变仪与所述LVDT微应变传感器信号连接，所述声发射采集仪分别与所述第一声发射探头、第二声发射采集仪信号连接，所述应变仪、声发射采集仪均与处理器连接。

进一步的，所述恒温恒湿系统包括恒温恒湿箱、加热单元、制冷单元、制冷蒸发单元、循环风机、温度湿度传感器；所述加热单元及制冷单元用于调控所述恒温恒湿箱的温度，所述制冷蒸发单元及循环风机用于调控所述恒温恒湿箱内的湿度，所述温度湿度传感器用于测量所述恒温恒湿箱的温度及湿度。

进一步的，所述装置由不间断电源供电。

本发明提供了一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测方法，使用上述的装置进行检测，所述方法包括：

S1、岩石试样制备：由钻孔中取出岩芯，作定向标志线，清洗备用；

S2、岩石试样安装：岩石试样沿轴线分别在与水平方向夹角的-45°、0°、45°、90°方向或-60°、0°、60°、120°方向画线；将试样放入恒温恒湿箱中，沿轴线方向放置，使传感器通道置于岩石试样画线上方；固定岩石试样，在每个传感器通道内放入LVDT微应变传感器，保证LVDT微应变传感器与岩石试样充分接触并固定；在每个方向都安装完LVDT微应变传感器之后，将第一声发射探头按固定于传感器通道内；同时，岩石试样的两端也分别放置一个第二声发射探头；

S3、密封恒温恒湿箱，为岩石试样提供设定的温度、湿度环境；

S4、信息采集处理：信息采集及处理系统采集岩石试样的应力及声学反馈信号，得出岩石试样所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理。

进一步的，所述岩石试样的长度为约15cm。

本发明的有益效果为：本发明克服了传统监测仅测量岩石应变的固有思路，将应变监测和声发射监测结合起来，通过测量深部地层原位定向岩芯的滞弹性微应变恢复量，并且利用声学监测系统监测岩芯声发射(能量)和波速场演化，从而可以计算得到岩芯所处地层地应力场三个主应力方向，并研究原地应力下的岩石卸荷后依赖于时间的蠕变机理；本发明装置结构新颖、简单、合理，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置的结构示意图。

图2所示为一实施例中LVDT传感器固定装置的侧视图示意。

图3所示为另一实施例中LVDT传感器固定装置的侧视图示意。

其中：1-信息采集及处理系统；2-恒温恒湿箱；3-密封挡水板；4-隔温板；5-连接接口；6-恒温恒湿工作空间；7-温湿度传感器；8-循环风机；9-制冷单元；10-加热单元；11-制冷蒸发系统；12-第二声发射探头；13-LVDT固定装置；14-底座；15-岩石试样(岩芯)；16-传感器通道；17-不间断电源。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明实施例一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，包括：

变形监测系统，优选的，包括LVDT固定装置13、LVDT微应变传感器；所述LVDT固定装置13设置在岩石试样15周围，岩石试样15由底座14支撑；在一个具体实施例中，如图3所示，在岩石试样15四周与水平方向夹角为-45°、0°、45°、90°的方向形成多个传感器通道16；在另一个具体实施例中，如图2所示，在岩石试样15四周与水平方向夹角为-60°、0°、60°、120°的方向形成多个传感器通道16；所述传感器通道16内放置所述LVDT微应变传感器与第一声发射探头，所述LVDT传感器与岩石试样15接触并固定。

声学监测系统，优选的，包括设置在所述传感器通道16内的多个第一声发射探头、及设置在岩石试样15两端的2个第二声发射探头12。

恒温保湿系统，优选的，包括恒温恒湿箱2、加热单元10、制冷单元9、制冷蒸发单元11、循环风机8、温度湿度传感器7；所述加热单元10及制冷单元9用于调控所述恒温恒湿箱2的温度，所述制冷蒸发单元11及循环风机8用于调控所述恒温恒湿箱2内的湿度，所述温度湿度传感器7用于测量所述恒温恒湿箱2的温度及湿度。优选的，岩石试样15下设置密封挡水板3，起到防水作用，保证实验湿度恒定。

信息采集及处理系统1，采集并处理所述变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统的反馈信号，得出岩石试样15所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理；优选的，信息采集及处理系统1包括应变仪、声发射采集仪及电脑；所述应变仪与所述LVDT微应变传感器信号连接，所述声发射采集仪分别与所述第一声发射探头、第二声发射探头12、采集仪信号连接，所述应变仪、声发射采集仪均与电脑连接。

本发明实施例一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测方法，包括：

S1、岩石试样15制备：由钻孔中取出岩芯，作定向标志线，用水和酒精将岩芯清洗干净，并用砂纸打磨平整，前期准备工作完成；

S2、岩石试样15安装：经清洗后，沿基线(基线为实验前人为选择的一条轴线，以该基线为0°，向右为45°、90°定向标志线，方便统计记录)按逆时针方向分别在试样(15)的-45°、0°、45°、90°方向画线。将岩石试样15放入恒温恒湿箱2中，沿基线方向固定在工作台上，使其处于工作台的中心位置。调整试样15的方向，使LVDT传感器通道16能置于画线上方。固定好试样15后，在每个传感器通道16内放入LVDT微应变传感器，保证传感器与试样充分接触并固定。在每个方向都安装完LVDT微应变传感器之后，将第一声发射探头按照同样的方式固定于传感器通道16内，同时，在试样15的两端也分别放置一个第二声发射探头12，保证能得到声学信号。

S3、检查无误后，密封恒温恒湿箱2，为岩石试样15提供设定的温度、湿度环境；

S4、信息采集处理：信息采集及处理系统1采集岩石试样15的应力及声学反馈信号，得出岩石试样15所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理。优选的，采用不间断电源17保证现场实验室电源不稳定的情况下，仍可不间断的进行测量。

各LVDT微应变传感器测得应变后，求得主应变，进而求得主应力，具体如下：

Aε＝b

式中：ε＝[ε_x,ε_y,ε_z,ε_xy,ε_yz,ε_zx]^T表示岩石试样的应变张量，b＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉,b₁₀,b₁₁,…]^T为岩心表面应变测量的应变值(应变数量即传感器通道数量大于6)，A为系数矩阵，A的展开式如下：

l_i,m_i,n_i是LVDT应变轴相对坐标系O-XYZ轴的方向余弦，可得ε＝(A^TA)^-1A^Tb可由此解出应变分量ε＝[ε_x,ε_y,ε_z,ε_xy,ε_yz,ε_zx]^T。

解下述方程组可得到主应变的大小：

解上述线性齐次方程组，可用行列式系数为0进行求解，具体求解过程如下：

行列式展开为一元三次方程：

ε³-(ε₁+ε₂+ε₃)ε²+(ε₂ε₃+ε₃ε₁+ε₁ε₂)ε-ε₁ε₂ε₃＝0 (5-11)

式中：ε₁+ε₂+ε₃＝ε_x+ε_y+ε_z；

求解上述三次方程即可求出主应变大小。

由滞弹性应变计算主应力σ_i(i＝1,2,3)的大小可按照下式进行计算：

σ_i＝e_t(t)/Jas(t)+e_m(t)/Jav(t)+p₀

式中e_t(t)(i＝1,2,3)为滞弹性偏应变，e_m(t)为滞弹性平均应变，Jas(t)为偏滞弹性应变恢复柔量，Jav(t)为体积滞弹性应变恢复柔量，p₀为孔隙压力。

本发明采用声发射可以分析非弹过程中声发射信号特征，得到主频信号，可以证明岩石试样内部是否有损伤，对岩石材料内部微破裂进行动态演化。在一些岩爆发生之前，岩体在变形过程中，往往产生大量的微破裂，研究这些微破裂，对探讨岩体地应力有重要意义。同时还可以对比不同的岩芯声发射频谱，分析其与原地应力有无正比关系，另外，还可以定位得到最终破裂面

本申请的主要创新在于：

1、针对深部高应力地层岩石具有滞弹性的特性，引入高精度LVDT微应变传感器，采集岩芯滞弹性微应变，并保证岩芯测试环境为恒温恒湿状态，消除由于外界温度变化等因素引起的岩芯微应变变化，为精准计算岩芯所处地层主应力方向和大小提供实验依据。

2、引入声发射采集系统，分析研究深部高应力地层岩芯卸荷后声发射(能量)和波速场演化特征与规律。

3、采用LVDT固定装置，解决了高精度应变片与岩石试样的结合问题，效果大大优于直接在试样上粘结应变片。

4、利用深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置可以开展深部岩石随时间应变恢复(流变性)的理论模型研究及验证。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，其特征在于，所述装置包括变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统、信息采集及处理系统；

所述变形监测系统，用于对岩石试样的多方向变形进行测量，所述变形监测系统包括LVDT固定装置、LVDT微应变传感器；所述LVDT固定装置设置在岩石试样周围，在岩石试样四周与水平方向夹角为设定角度的方向形成多个传感器通道，所述传感器通道的数量不少于6个；所述传感器通道内放置所述LVDT微应变传感器与第一声发射探头，所述LVDT微应变传感器与岩石试样接触并固定；

所述声学监测系统，用于对在滞弹性应变恢复过程中岩石试样内部的声信号进行采集，所述声学监测系统包括设置在所述传感器通道内的多个第一声发射探头、及设置在岩石试样两端的2个第二声发射探头；

所述恒温恒湿系统，用于为岩石试样提供恒温恒湿的试验环境，所述恒温恒湿系统包括恒温恒湿箱、加热单元、制冷单元、制冷蒸发单元、循环风机、温度湿度传感器；所述加热单元及制冷单元用于调控所述恒温恒湿箱的温度，所述制冷蒸发单元及循环风机用于调控所述恒温恒湿箱内的湿度，所述温度湿度传感器用于测量所述恒温恒湿箱的温度及湿度；

所述信息采集及处理系统，采集并处理所述变形监测系统、声学监测系统、恒温恒湿系统的反馈信号，得出岩石试样所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理。

2.如权利要求1所述的深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，其特征在于，所述设定角度为-45°、0°、45°、90°，或-60°、0°、60°、120°。

3.如权利要求1所述的深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，其特征在于，所述信息采集及处理系统包括应变仪、声发射采集仪及处理器；所述应变仪与所述LVDT微应变传感器信号连接，所述声发射采集仪分别与所述第一声发射探头、第二声发射探头信号连接，所述应变仪、声发射采集仪均与处理器连接。

4.如权利要求1所述的深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测装置，其特征在于，所述装置由不间断电源供电。

5.一种深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一项所述的装置进行检测，所述方法包括：

S1、岩石试样制备：由钻孔中取出岩芯，作定向标志线，清洗备用；

S2、岩石试样安装：岩石试样沿轴线分别在与水平方向夹角的-45°、0°、45°、90°方向或-60°、0°、60°、120°方向画线；将试样放入恒温恒湿箱中，沿轴线方向放置，使传感器通道置于岩石试样画线上方；固定岩石试样，在每个传感器通道内放入LVDT微应变传感器，保证LVDT微应变传感器与岩石试样充分接触并固定；在每个方向都安装完LVDT微应变传感器之后，将第一声发射探头安装固定于传感器通道内；同时，岩石试样的两端也分别放置第二声发射探头；

S3、密封恒温恒湿箱，为岩石试样提供设定的温度、湿度环境；

S4、信息采集处理：信息采集及处理系统采集岩石试样的应力及声学反馈信号，得出岩石试样所处地层地应力场的主应力大小、方向、及岩石卸载后的蠕变机理。

6.如权利要求5所述的深部高应力岩石滞弹性应变恢复监测方法，其特征在于，所述岩石试样的长度为15cm。

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