CN113984520A - 高地应力评估方法、系统、设备、介质 - Google Patents

高地应力评估方法、系统、设备、介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高地应力评估方法、系统、设备、介质，通过利用已有的工程勘察钻孔经声波测试，获得岩体原位纵波波速，通过室内三轴试验和声波测试获得岩石三轴试验标准样品的纵波波速，根据岩体原位纵波波速和样品的纵波波速的计算龟裂系数以判断是否出现“波速倒挂”现象，从而评估岩体是否处于高地应力状态，相较于在室外单独采用声波测试的方法能够更准确的评估工程岩体的高地应力状态。并且本发明充分利用了工程勘察中已有的勘察钻孔与岩芯，无需在工程区域进行额外的开孔测试，通过对比勘察钻孔的声波测试与室内三轴力学试验中的声波测试结果，利用“波速倒挂”现象即可快速评估工程区的高地应力状态，并且能够降低预算成本。

Description

高地应力评估方法、系统、设备、介质
技术领域
本发明涉及高地应力量级评估技术领域，特别是涉及基于声波测试与室内三轴试验的高地应力评估方法、系统、设备、介质。
背景技术
声波测试方法是综合性的方法，能够比较全面的反映岩体的整体破损状况。但高地应力条件下的工程岩体完整性无法通过声波测试方法进行准确评估。因此，亟需一种能够准确评估高地应力状态的评估方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高地应力评估方法、系统、设备、介质，以准确评估工程区的高地应力状态和量级。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高地应力评估方法，包括：
获取岩体原位纵波波速；
采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数；
如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；
如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
可选的，所述龟裂系数的具体计算公式为：
Figure BDA0003318137780000011
其中，K表示所述龟裂系数；vpm表示所述岩体原位纵波波速；vpr表示所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速。
可选的，在所述如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态之后，根据所述所述龟裂系数的值的大小判断所述高地应力状态的强弱；所述龟裂系数的值的越大，所述高地应力状态越强；所述龟裂系数的值的越小，所述高地应力状态越弱。
可选的，在所述如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态之后，计算岩体所处深度的水平高地应力量值。
可选的，所述计算岩体所处深度的水平高地应力量值，具体包括：
采集不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
将与所述岩体原位纵波波速相等的所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速对应的围压值作为岩体所处深度的水平高地应力量值。
可选的，所述获取岩体原位纵波波速，具体包括：利用现有的工程勘察钻孔进行跨孔物探声波测试，获得岩体原位纵波波速。
可选的，所述采集不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速，具体包括：
对所述岩石三轴试验标准样品进行三轴试验；
根据所述岩石三轴试验标准样品的采集深度确定所述三轴试验加载的轴压；
通过改变所述三轴试验加载的围压，利用声波传感器获得不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速。
一种高地应力评估系统，包括：
岩体波速采集模块，用于获取岩体原位纵波波速；
岩石样品波速采集模块，用于采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
龟裂系数计算模块，用于根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数；
高地应力状态判断模块，用于判断所述龟裂系数的值，如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
一种高地应力评估设备，包括：
处理器；以及
存储器，其中存储计算机可读程序指令，
其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行所述的高地应力评估方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述高地应力评估方法的步骤。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种高地应力评估方法、系统、设备、介质，通过利用已有的工程勘察钻孔经声波测试，获得岩体原位纵波波速，通过室内三轴试验和声波测试获得岩石三轴试验标准样品(即岩芯)的纵波波速，根据岩体原位纵波波速和岩石三轴试验标准样品的纵波波速的计算龟裂系数以判断是否出现“波速倒挂”现象，若出现“波速倒挂”现象则确定岩体处于高地应力状态，相较于单独在室外采用声波测试的方法能够更准确的评估工程岩体的高地应力状态。并且该方法充分利用了工程勘察中已有的勘察钻孔与岩芯，无需在工程区域进行额外的开孔测试，通过对比勘察钻孔的声波测试与室内三轴力学试验中的声波测试结果，利用“波速倒挂”现象即可快速评估工程区的高地应力状态，并且能够降低预算成本。
另外本发明在判断岩体处于高地应力状态之后，结合钻孔原位声波测试结果，通过室内三轴加载试验不断改变岩石三轴试验标准样品的围压从而开展实验过程中的岩石波速测量，当围压升到岩石波速与原位波速大小相同时，可判断岩体所处深度的水平高地应力量值，相较于传统的水压致裂法、应力解除法等准确度高、效率高，且成本低廉。
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。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明实施例1提供的一种高地应力评估方法流程图；
图2为本发明实施例2提供的一种高地应力评估系统结构图。
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的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。
如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
虽然本发明对根据本发明的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在用户终端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。
本发明中使用了流程图用来说明根据本发明的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
本发明的目的是提供一种高地应力评估方法、系统、设备、介质，以准确评估工程区的高地应力状态和量级。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
声波测试方法是综合性的方法，能够比较全面的反映岩体的整体破损状况。目前国家标准以及国际推荐方法均采用龟裂系数K作为岩体完整性的表征指标，K是一个小于1的值，其越接近1说明岩体的完整性越高。但高地应力条件下，过大的围压使岩体的原生裂隙高度闭合，伴随着开挖卸荷的进行，岩体内的原生裂隙卸荷张开并产生新的卸荷裂隙，导致岩体发生劣化。因此，处于高地应力状态的工程岩体中会出现一种反常现象，原位测试的岩体纵波波速大于室内测试的岩石纵波波速，即龟裂系数K>1，称之为“波速倒挂”现象。这种反常现象导致高地应力条件下的工程岩体完整性无法用声波测试的方法正确评价。对此，参阅图1，为了实现对高地应力状态的准确评估，本实施例提供了一种高地应力评估方法，包括：
S1：获取岩体原位纵波波速，具体地根据工程现场勘察需求布置若干地质钻孔，选取相邻的两个钻孔，首先通过现场取芯提取岩芯样品并标记相应岩芯的采集深度。其次在孔内取芯位置开展原位波速测试，测试方法可采用单孔收发测试方法，或利用相邻钻孔开展跨孔物探声波测试试，声波测试工作按《岩土工程勘察规范》GB50021(2009版)和《工程岩体试验方法标准》GBT50266-2013中的岩体声波速度测试方法执行，至少获取岩体在三个不同深度上的岩体原位纵波波速数据。
S2：采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速，具体地首先将利用工程勘察钻孔所取的岩芯在室内加工成岩石三轴试验标准样品，优选地选择直径为50cm，高度为100cm圆柱体试验样品，并在样品上标记相应的采样深度，采样深度对应原位波速测试深度；然后按照《工程岩体试验方法标准》GBT50266-2013中的岩块声波速度测试方法，开展室内岩块纵波波速测试工作，在样品轴向放置声波传感器，利用声波传感器实时监测样品的纵波波速，获得岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
S3：根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数，所述龟裂系数的具体计算公式为：
Figure BDA0003318137780000051
其中，K表示所述龟裂系数；vpm表示所述岩体原位纵波波速；vpr表示所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
S4：如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
作为一种可选的实施方式，在S4之后，根据所述所述龟裂系数的值的大小判断所述高地应力状态的强弱；所述龟裂系数的值的越大，所述高地应力状态越强；所述龟裂系数的值的越小，所述高地应力状态越弱。
本实施例上述方法利用“波速倒挂”现象能够快速准确评估岩石的高地应力状态；另一方面，“波速倒挂”程度也可以为工程师提供一种快速评估工程岩体高地应力量级的方法。目前的应力量级确定方法主要采用水压致裂法、应力解除法，但两种方法都有相应不足，比较统一的表现为，需要在工程区域进行额外的开孔测试，预算较高；需要在比较完整的区段做测试，裂隙发育不利于用试验进行评估；并且需要通过理论计算确定应力量级，非直接测定，准确度低；高地应力条件下需要提供非常大的水压才可以压裂岩体，对试验设备的要求较高。
因此，为了解决上述技术问题，本实施例结合室内三轴力学试验开展岩石纵波测试，对比勘察钻孔的声波测试结果，利用“波速倒挂”现象可在没有地应力背景资料的情况下，可快速评估工程区的高地应力量级，所述计算岩体所处深度的水平高地应力量值，具体包括：
采集不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速，具体地将加工好的试验样品放入试验机的三轴压力舱，按照《工程岩体试验方法标准》GBT50266-2013中的岩石三轴试验方法开展开展室内三轴力学试验。试验的轴压按照样品采集深度上的岩石自重确定，分级提高三轴压缩试验的围压完成力学试验。在不同围压加载的过程中，利用在轴向放置的声波传感器实时开展声波测试，分别采集不同围压段的样品纵波波速；
将与所述岩体原位纵波波速相等的所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速对应的围压值作为岩体所处深度的水平高地应力量值。
本实施例原理简单，操作简便，可在缺少应力测试结果的情况下，充分利用现场勘察钻孔与室内力学试验，根据“波速倒挂”现象以及倒挂程度分别确定工程区的高地应力状态和判断水平高地应力量级，增加勘察钻孔与常规单三轴压缩试验的成果，具有广泛的推广应用价值。
实施例2：
如图2所示，本实施例用于提供一种高地应力评估系统，包括：
岩体波速采集模块M1，用于获取岩体原位纵波波速；
岩石样品波速采集模块M2，用于采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
龟裂系数计算模块M3，用于根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数；
高地应力状态判断模块M4，用于判断所述龟裂系数的值，如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
实施例3：
本实施例用于提供一种高地应力评估设备，包括：
处理器；以及
存储器，其中存储计算机可读程序指令，
其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行所述的高地应力评估方法。
实施例4：
本实施例用于提供一种非易失性的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1所述高地应力评估方法的步骤。
技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。
本发明使用了特定词语来描述本发明的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本发明至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本发明的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims (10)

1.一种高地应力评估方法，其特征在于，包括：
获取岩体原位纵波波速；
采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数；
如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；
如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
2.根据权利要求1所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，所述龟裂系数的具体计算公式为：
Figure FDA0003318137770000011
其中，K表示所述龟裂系数；vpm表示所述岩体原位纵波波速；vpr表示所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速。
3.根据权利要求1所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，在所述如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态之后，根据所述所述龟裂系数的值的大小判断所述高地应力状态的强弱；所述龟裂系数的值的越大，所述高地应力状态越强；所述龟裂系数的值的越小，所述高地应力状态越弱。
4.根据权利要求1所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，在所述如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态之后，计算岩体所处深度的水平高地应力量值。
5.根据权利要求4所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，所述计算岩体所处深度的水平高地应力量值，具体包括：
采集不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
将与所述岩体原位纵波波速相等的所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速对应的围压值作为岩体所处深度的水平高地应力量值。
6.根据权利要求1所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，所述获取岩体原位纵波波速，具体包括：利用现有的工程勘察钻孔进行跨孔物探声波测试，获得岩体原位纵波波速。
7.根据权利要求5所述的一种高地应力评估方法，其特征在于，所述采集不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速，具体包括：
对所述岩石三轴试验标准样品进行三轴试验；
根据所述岩石三轴试验标准样品的采集深度确定所述三轴试验加载的轴压；
通过改变所述三轴试验加载的围压，利用声波传感器获得不同围压下的岩石三轴试验标准样品的纵波波速。
8.一种高地应力评估系统，其特征在于，包括：
岩体波速采集模块，用于获取岩体原位纵波波速；
岩石样品波速采集模块，用于采集岩石三轴试验标准样品的纵波波速；
龟裂系数计算模块，用于根据所述岩体原位纵波波速和所述岩石三轴试验标准样品的纵波波速，计算龟裂系数；
高地应力状态判断模块，用于判断所述龟裂系数的值，如果所述龟裂系数的值小于等于1，则确定岩体处于非高地应力状态；如果所述龟裂系数的值大于1，则确定岩体处于高地应力状态。
9.一种高地应力评估设备，其特征在于，包括：
处理器；以及
存储器，其中存储计算机可读程序指令，
其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行如权利要求1-7任一项所述的高地应力评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述高地应力评估方法的步骤。
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