CN114199647A

CN114199647A - 岩体原位应力固化方法及固化系统

Info

Publication number: CN114199647A
Application number: CN202111518235.6A
Authority: CN
Inventors: 高明忠; 叶思琪; 谢晶; 李飞; 邓虎超
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本发明涉及岩体原位应力固化方法及固化系统，根据待测岩体的构成确定颗粒原料以及质量分数；选择颗粒原料并按所述质量分数放入立体模具中，在颗粒空隙中预埋置应变片；按照不同应力加载路径对立体模具施加轴压和围压；应力加载稳定后，向立体模具内部注入粘合材料；保持应力加载稳定，保持立体模具不动，待粘合材料凝固后将立方体模具拆除，此过程实时记录应变片输出的数据。本申请可实现岩体原位应力测量和固化，使得能够在室内尺度模拟深部岩体原位赋存环境，以利于开展一系列相关室内实验，从而开展地球深部岩体物理力学行为研究；本申请可以有效模拟原位地应力环境，避免其他因素对实验的影响，防止数据不准确。

Description

岩体原位应力固化方法及固化系统

技术领域

本发明涉及重构深部地应力技术领域，尤其涉及岩体原位应力固化方法及固化系统。

背景技术

随着地球浅部资源消耗殆尽，资源开采活动逐渐向深部发展，发展深地科学、开发深地资源已成为世界各国争先探索的科学制高点。相较于浅部资源，深部岩体地质条件与应力环境等更加复杂，且深地环境具有“三高一扰动”的特征，特别是深部高地应力极易造成深部工程区出现岩爆、巷道变形失稳等灾害，对深部资源的安全开采构成严重威胁。

然而，目前地球深部岩体物理力学特征仍处于“黑箱”或“灰箱”状态，现有的研究技术无法进行深部原位环境下的物理力学分析，由于从深部将岩体取出后，岩心会经历高应力瞬间释放过程，难以体现深部工程区赋存环境与应力路径，因此无法在室内尺度对深部岩体进行原位物理力学实验研究。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供岩体原位应力固化方法及固化系统。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的岩体原位应力固化方法，包括以下步骤：

根据待测岩体的组成成分确定颗粒原料以及所述颗粒原料的质量分数；

根据确定的颗粒原料种类选择颗粒原料并按所述质量分数放入立体模具中，在颗粒空隙中预埋置应变片；

按照不同应力加载路径对立体模具施加轴压和围压；

应力加载稳定后，向立体模具内部注入粘合材料，待将空隙填充完全，停止注浆，保持应力加载稳定，保持立体模具不动，等待粘合材料凝固。

可选的，所述粘合材料为水泥浆液。

特别的，所述立体模具为透明材质。

本申请提供的岩体原位应力固化系统，包括一个或多个立体模具、应力加载装置、应变片、不同矿物颗粒以及粘合材料。使用时，矿物颗粒按照不同级配放入立方体模具，加载系统可以实现不同路径加载。通过该固化系统可实施上述的测试方法。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请可实现岩体原位应力测量和固化，使得能够在室内尺度模拟深部岩体原位赋存环境，以利于开展一系列相关室内实验，从而开展地球深部岩体物理力学行为研究，为“向地球深部进军”的深地科学研究奠定基础；

2，本申请的固化系统结构，操作简便；并且可以实现不同应力路径加载，利于固化不同原位应力；

3，本申请可以有效模拟原位地应力环境，避免其他因素对实验的影响，防止数据不准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中颗粒原料放入立方体模具内的示意图；

图2中（a）是其中一种应力加载路径下岩体内部固化的应力示意图，（b）是另一种应力加载路径下岩体内部固化的应力示意图；

图3是应力加载的原理图；

图4是注满粘合材料时的示意图；

图5是立方体模具的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，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的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例一

本实施例公开的岩体原位应力固化方法，包括以下步骤：

S1，根据待测岩体的组成成分确定颗粒原料以及所述颗粒原料的质量分数；

通过S1能够还原深部岩体的组成成分。可选的，利用XRD获得不同深度的矿物成分及质量分数；

S2，根据S1的结果选择颗粒原料并按所述质量分数放入立体模具中，在颗粒空隙中预埋置应变片；

值得说明的是，本步骤需要填满立体模具。

S3，对立体模具按照不同应力加载路径施加轴压和围压；

S4，加载稳定后，向立体模具内部注入粘合材料；待将空隙填充完全，停止注浆；

S5，保持应力加载稳定，保持模具不动，待粘合材料凝固；通常放置28天左右粘合材料凝固。

在步骤S4和S5中，实时记录应变片输出的应力数据，用粘合材料凝固后获得的应力作为最终的岩体原位应力。

步骤S5以后，将立方体模具拆除并进行清洗，可获得内部固化原位应力的类岩石，进而后续可开展各种一系列模拟深部岩体物理力学行为实验。

值得说明的是，粘合材料应不影响矿物颗粒的力学性能，不腐蚀模具和矿物颗粒。为防止试样与模具粘黏，在放入原料之前，可在模具内表面涂一层凡士林或其它防粘材料，以防止粘黏。

可选的，步骤S2中，在立体模具中放置9个应变片，在模具的八个顶点处分别放置一个，在模具四条对角线交点处即模具中心位置放置一个，通过连接应变片的数据线传输数据。

基于上述岩体原位应力固化方法，本申请还提供一种岩体原位应力固化系统，该系统包括一个或多个立体模具1、应力加载装置、应变片、不同矿物颗粒以及粘合材料。应力加载装置可以实现不同路径加载。应力加载装置是现有设备，此处不再赘述。

立体模具1为透明材质，立体模具1上设注浆孔11，注浆孔11配有密封盖，密封盖可选橡胶盖。注浆孔11的数量根据需要设置。若立体模具1立方体模具，则在立体模具1上可设4个注浆孔11，4个注浆孔11分别位于立方体模具的顶部四个顶点位置。

实施例二

S1，准备好透明立方体模具，立方体模具的具体尺寸视情况而定，包括但不限于尺寸可为100 cm*100 cm*100cm、200 cm*200 cm*200cm、300 cm*300 cm*300cm、400 cm*400cm*400cm、500 cm*500 cm*500cm，立方体模具设有4个注浆孔11，4个注浆孔11分别位于立方体模具的顶部四个顶点。

S2，将

、

、

按照36%、63%、1%的质量分数质量分数模拟松科2井埋深4781.24 m的砂岩；

将

、

、

按照35%、64%、1%的质量分数模拟松科2井埋深5071.10 m的砂岩；

将

、

按照64%、36%的质量分数模拟松科2井埋深5428.81 m的砂岩；

将

、

按照64%、36%的质量分数模拟松科2井埋深5652.36 m的砂岩；

将

、

按照92%、8%的质量分数模拟锦屏埋深1400 m的大理岩；

S3，根据S2，按照不同质量分数组合的矿物分别放入不同尺寸的立方体模具中。

可选的，颗粒的粒径为0.5~1.0mm。

S4，在颗粒空隙中预埋置应变片；

S5，利用加载装置对立方体模具按照不同应力加载路径施加轴压和围压；通过不同的应力路径进行加载，可使岩体内部固化不同大小的应力。

S6，加载稳定后，通过注浆孔11向立方体模具内部注入粘合材料，粘合材料为水灰比为0.3-0.5的水泥浆液，待到将空隙填充完全，停止注浆，注浆孔11盖上密封盖。

S7，保持加载稳定，保持立方体模具不动，放置28天左右，待粘合材料凝固后将模具拆除并进行清洗；

S8，在S6和S7中，实施记录应变片输出的应力数据。

经过前8个步骤，可形成内部固化原位应力的类岩石，进而可开展各种一系列模拟深部岩体物理力学行为实验。

值得说明的是，本实施例中所列举的上述矿物组成并不构成对本发明保护范围的限定，因为不同深度岩石具有不同的矿物组成，本领域技术人员可以根据需要合理设计所使用的矿物颗粒的种类及配比。

本申请可将原位应力固化在岩样中，从而能够模拟深部原位赋存环境的岩体，并且在室内尺度可开展一系列模拟深部原位岩体的物理力学实验。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。