CN114295529A - 一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法及系统,在待测岩体内部开设至少两个钻孔,选择其中一个钻孔作为出气钻孔,选择其中一个钻孔为探测钻孔,出气钻孔用于向待测岩体内喷出安全气体,探测钻孔内设置多个探测器检测经裂隙进入探测钻孔的安全气。确定安全气体在出气钻孔与探测钻孔之间的渗流时长t、待测岩体的初始化空隙比e0、出气钻孔的出气压力p、出气钻孔和探测钻孔之间的间隔距离L、安全气体的流体粘度μ确定安全气体在出气钻孔与探测钻孔之间的渗透系数K;根据初始化空隙比e0以及渗透系数K得到人工扰动导致裂隙发育后的孔隙比e及裂隙发育的孔隙度。本方案能够在工程上应用,灵活性高、操作简单,精度满足工程需要。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域,特别涉及一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法及系统。
背景技术
目前在探测岩体内部裂隙方面,多采用液体、电磁波或超声波、CT扫描等方式对岩块进行裂隙进行探测。
以上方案中:采用液体在两端流经的过程探测岩体内部垂向的渗透性,它的缺点在于只能测试垂向岩体内部渗透性,其他方向的裂隙难以探测;基于超声波、电磁波或CT扫描等裂隙探测的方式更适于对实验室内的小型的岩块进行裂隙探测,适应于实验研究,在大尺度的工程现场难以应用。为了解决工程现场应用的问题,一些方案中提出了地震CT反演方法对现场裂隙进行探测,其描述的超声波在现场操作施工必须以小计量的炸药爆破,否则现有的微震系统探头难以捕捉到信号,操作并不简单,且人为分析因素对结果的影响较大。
基于上述原因,需要提出一种新的岩体内部裂隙发育情况测定方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有岩体内部裂隙发育情况测定方案存在的实现困难、难以在大型工程现场应用的问题,为此,本发明提出了一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法及系统。
针对上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
本发明实施例提供一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,包括如下步骤:
在待测岩体内部开设至少两个钻孔,选择其中一个钻孔作为出气钻孔,选择其中一个钻孔为探测钻孔,所述出气钻孔用于向所述待测岩体内喷出安全气体,所述探测钻孔内设置多个探测器;
获取所述待测岩体的初始化空隙比e0、所述出气钻孔的出气压力p以及所述出气钻孔和所述探测钻孔之间的间隔距离L;
获取所述探测器检测到经裂隙进入所述探测钻孔的安全气体的采样时刻,根据所述出气钻孔的喷气时刻确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔之间的渗流时长t;
根据所述间隔距离L和所述渗流时长t确定所述安全气体的渗流速度V0;
根据所述出气压力p、所述渗流速度V0以及所述安全气体的流体粘度μ确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔之间的渗透系数K;
根据所述初始化空隙比e0以及所述渗透系数K得到人工扰动导致裂隙发育后的孔隙比e;
根据裂隙发育后的孔隙比e得到裂隙发育的孔隙度,所述裂隙发育的孔隙度作为裂隙发育结果参数。
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,通过如下方式得到所述待测岩体的初始化空隙比e0:
采集未经人工扰动时的待测岩体样本;
获取所述待测岩体样本的空隙体积Vp和岩块总体积Vb;
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,获取所述出气钻孔的出气压力p的步骤中,所述出气钻孔的出气压力p大于0.5Mp。
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,在所述探测钻孔中设置多个探测器,相邻两探测器之间的距离为设定距离值,设定从岩层内部侧到巷道侧的探头编号分别为ni,i=1,2,3……;
获取每一所述探测器ni检测到经裂隙进入所述探测钻孔的安全气体的采样时分别为ti,i=1,2,3……;
获取所述出气钻孔的喷气口与每一探测器之间的距离li,i=1,2,3……;
所述安全气体从所述喷气口渗流至每一探测器的渗流速度分别为vi,i=1,2,3……;
则每一探测器对应的渗透系数Ki=vi×μ/p。
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,所述探测钻孔中的编号为n1的探测器与所述出气钻孔中的出气口相垂直,所述相垂直是指:所述出气口与编号为n1的探测器的连线垂直于所述探测钻孔的轴线。
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,所述出气钻孔的出气压力p为1Mp,相邻两两探测器之间的设定距离值为1m。
一些实施例中所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,通过以下方式得到裂隙发育后的孔隙比e:
e=2log K/e0;
通过以下方式得到裂隙发育的孔隙度:
本发明一些实施例提供一种存储介质,所述存储介质中存储有程序信息,计算机读取所述程序信息后执行以上任一项方案所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
本发明一些实施例提供一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定系统,其特征在于,所述包括至少一个处理器和至少一个存储器,至少一个所述存储器中存储有程序信息,至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行以上任一项所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果:
本发明提供的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法及系统,采用相对工程环境安全的气体在岩体内部孔隙渗流的过程,推导岩体内部孔隙率的方法,进一步可推导岩体内部裂隙发育情况及岩体损伤情况。本发明提供的方案,能够在工程上应用,具备灵活性高、操作简单,精度满足现场工程需要的优势。
附图说明
下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例,将有助于理解本发明的目的和优点,其中:
图1为本发明一个实施例所述人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法的流程图;
图2为本发明一个实施例所述探测器和喷头设置方式的结构示意图;
图3为本发明一个实施例所述安全气体渗流规律示意图;
图4为本发明一个实施例中渗透系数与孔隙比呈直线关系的示意图;
图5为本发明一个实施例所述人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定系统的硬件连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,如图1所示,包括如下步骤:
步骤一:在待测岩体内部开设至少两个钻孔,选择其中一个钻孔作为出气钻孔,选择其中一个钻孔为探测钻孔,所述出气钻孔用于向所述待测岩体内喷出安全气体,所述探测钻孔内设置多个探测器。如图2所示,在需要检测的岩体内部布置多个钻孔,可以从中选择一个钻孔作为出气钻孔100,选择另一个钻孔作为探测钻孔200,出气钻孔100与探测钻孔200之间的距离为L。在出气钻孔100内部设置出气管,出气管的一端可以与巷道内的气体发生装置相连,出气管的另一端设置喷头400,气体发生装置可以输出如氮气等安全气体。在喷头400的前端设置有高强度橡胶封堵500,当安全气体通过橡胶封堵500后,橡胶封堵500会发生膨胀,膨胀后橡胶封堵的外壁与出气钻孔100的内壁紧密贴合,由此可以避免安全气体从出气钻孔内部返回。在探测钻孔200内部顺次地设置有多个探测器300,多个探测器300可以通过探测管路连接,探测管路上设置有膨胀阀600,所述膨胀阀600也可以采用高强度橡胶实现,在探测管路中首先充入氮气等安全气体,使膨胀阀600膨胀,当膨胀阀600膨胀后其外壁与探测钻孔200的内壁紧密贴合,之后不同的探测器300彼此被分离开来,不同的探测器300不会受到其他管段的气体的影响,从而能够确保探测结果的准确性。如图2所示的裂隙示意图,不同区域的裂隙密度和裂隙方向可能有所不同,但是喷头400喷出的安全气体能够随着裂隙的存在而发生渗流,从而能够被探测器300探测到。不同位置处的探测器300探测到安全气体的时间不同,除了因为不同探测器与喷头之间的距离不同之外,还因为安全气体在不同区域下的渗流程度不同,本方案就是利用这一原理,通过分析不同探测器与喷头之间距离的影响因素之外的渗流速度影响,就是因为裂隙发育程度导致的。
步骤二:获取所述待测岩体的初始化空隙比e0、所述出气钻孔的出气压力p以及所述出气钻孔和所述探测钻孔之间的间隔距离L。初始化孔隙比可以通过在实验室进行测定的方式来获取,出气专控的出气压力可以根据试验标定的方式预先获取,而出气钻孔100和探测钻孔200之间的间隔距离可以根据探测需求来选择。
步骤三:获取所述探测器300检测到经裂隙进入所述探测钻孔200的安全气体的采样时刻,根据所述出气钻孔100的喷气时刻确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔200之间的渗流时长t。本步骤中,以喷头400至探测器300之间的渗流时长作为两个钻孔之间的渗流时长,当有多个探测器时,可以选择每一探测器300的检测结果后求取平均值的方式得到两个钻孔之间的渗流时长等。本方案中可以将喷头的开关控制与探测器数据采样的控制置于同一系统中实现,因此系统能够获取到控制喷头开启的时刻,由此得到喷气时刻,系统还能够获取收到探测器发送数据的时刻,由此得到采样时刻,如此便可以计算得到渗流时长。
步骤四:根据所述间隔距离L和所述渗流时长t确定所述安全气体的渗流速度V0。如前所述,本步骤可以看作是在探测钻孔200中设置有一个探测器300,这一个探测器与喷头之间的连线与探测钻孔200垂直,因此探测器与喷头之间的距离就等于两个钻孔之间的间隔距离L。
步骤五:根据所述出气压力p、所述渗流速度V0以及所述安全气体的流体粘度μ确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔之间的渗透系数K,因为渗流阻力由两部分组成,第一部分为粘性阻力,它与渗流速度的一次方成正比;第二部分为非线性渗流附加阻力,而渗流阻力能够通过渗流速度直观地反应出来。因此,当获取到安全气体的渗流速度和流体粘度后,就能够确定收到非线性渗流附加阻力的影响,这部分阻力就是由裂隙影响的,也即能够反应出渗透系数。以上步骤中,每一种气体都具有其特有的流体粘度,如表1所示为氮气在不同环境条件下时的流体粘度值。
表1氮气动力粘度
步骤六:根据所述初始化空隙比e0以及所述渗透系数K得到人工扰动导致裂隙发育后的孔隙比e。大量研究实践表明渗透系数与岩体的上覆有效应力和孔隙比有相关性,尤其是孔隙比,多种经验关系均可转换到log K-e坐标中,在该坐标中渗透系数与孔隙比呈直线关系。
步骤七:根据裂隙发育后的孔隙比e得到裂隙发育的孔隙度,所述裂隙发育的孔隙度作为裂隙发育结果参数,孔隙度与孔隙比之间具有一定的换算关系,因此确定孔隙比后就能够推导出孔隙度。本实施例的以上方案,通过简单地测定两孔之间的气体流经时间即可得出一个精确地孔隙度。若要知道整个两孔段的孔隙度,只需放气后抽掉之前的测长段,再充气重新开始上面的步骤即可。
以上,采用相对工程环境安全的气体在岩体内部孔隙渗流的过程,推导岩体内部孔隙率的方法,进一步可推导岩体内部裂隙发育情况及岩体损伤情况。本发明提供的方案,能够在工程上应用,具备灵活性高、操作简单,精度满足现场工程需要的优势。
优选地,以上方案中,步骤二通过如下方式得到所述待测岩体的初始化空隙比e0:
S201:采集未经人工扰动时的待测岩体样本;
S202:获取所述待测岩体样本的空隙体积Vp和岩块总体积Vb;
S203:获取所述待测岩体样本的初始孔隙度n0:本步骤中,在实验室采用SY/T 6385-2016《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》标准,测定岩体未经人工扰动时的岩块的孔隙度。特别之处在于不用加载上覆岩层压力,得出初始孔隙度。
以上方案中,在步骤二中,所述出气钻孔的出气压力p大于0.5Mp,优选地所述出气钻孔的出气压力p选择为1Mp。喷头400以恒定压力p喷出安全气体后,安全气体均匀的向出气钻孔100的周边扩散,当有裂隙时,气体会沿着裂隙渗流至远处,直至被探测钻孔内的探测器探测到。可以理解,由于在探测钻孔200内部本身就可能有氮气存在,如果此时安全气体也是氮气,那么探测器300可以通过检测氮气变化量的方式来得到渗流氮气的检测结果。
进一步地,如图2,在所述探测钻孔200中设置多个探测器300,相邻两探测器300之间的距离为设定距离值,设定从岩层内部侧到巷道侧的探头编号分别为ni,i=1,2,3……;获取每一所述探测器ni检测到经裂隙进入所述探测钻孔的安全气体的采样时分别为ti,i=1,2,3……;获取所述出气钻孔的喷气口与每一探测器之间的距离li,i=1,2,3……;所述安全气体从所述喷气口渗流至每一探测器的渗流速度分别为vi,i=1,2,3……;则每一探测器对应的渗透系数Ki=vi×μ/p。具体地,探测钻孔200开设于任一需要了解孔隙率的位置。本方案中可以设定相邻两个探测器之间的距离为1米,图中所示共计5个探测器,可以理解,探测器的个数与探测的范围有关,探测器越多,能够探测的范围越大。
为了使膨胀阀600膨胀,先向探测钻孔内充入气体,此过程中可能会影响探测器探测结果的稳定性,因此等待探测器的探测数据全部稳定不变后,开启喷头,同时开始计时,记录各个探测器数值变化的时间节点,从岩层内部侧到巷道侧的探头分别为n1、n2、n3、n4、n5……,对应的探测到的时间节点为t1、t2、t3、t4、t5……。如图3所示,低渗透孔隙―裂隙介质气体渗流规律曲线特征为凹形曲线至直线,是连续变化的曲线,其直线部分的延长线均不通过坐标原点,与横坐标轴(压力梯度轴)相交,存在一截距,即存在拟启动压力,如图所示的已有研究结果表明,渗透系数越大,所需的拟启动压力越小,经人工扰动后岩体内部裂隙发育,图中所示当Δp大于0.2Mp时曲线就趋于直线,因此可取启动压力大于1MPa即可保证喷头的喷出压力大于0.2Mp,以下实施例中可以保证喷出压力为1Mp,以简化计算过程。
经过试算与比较后,确定描述这类非线性渗流规律的运动方程为:
式中,v为渗流速度,单位为m/s;Δp为压力梯度,单位为Pa/m;a1、a2、b为常数,当v→∞时,a1→(μ/K)∞,a2/b→Ga,μ动力粘度,Ga为拟启动压力,单位为Pa/m,由于渗流阻力由两部分组成,第一部分为粘性阻力,它与渗流速度的一次方成正比;第二部分为非线性渗流附加阻力。当a2=0,a1=μ/K;或b=0,a1+a2=μ/K,或者a1=0,b=0,a2=μ/K时,方程简化为
则K为:
所以如果Δp的数值为1,则能够进一步简化上述公式。
在以上方案中,所述探测钻孔中的编号为n1的探测器与所述出气钻孔中的出气口相垂直,所述相垂直是指:所述出气口与编号为n1的探测器的连线垂直于所述探测钻孔的轴线。设定喷头400距探测器n1的距离为l、则喷头400距探测器n2的距离为喷头400距探测器n3的距离为喷头400距探测器n4的距离为喷头400距探测器nm的距离为则各个探头探测到的速度为:
如前所述,Δp为1MPa,结合表1,即可得出渗透系数K值为:
Ki=-vi×μ。
参考图4,渗透系数与岩体的上覆有效应力和孔隙比有相关性,尤其是孔隙比,多种经验关系均可转换到log K-e坐标中,在该坐标中渗透系数与孔隙比呈直线关系,其斜率Ck=0.5e0这一经验关系。即:
logK=0.5e0e。
如前述步骤所述,e0由实验室测定。根据孔隙度与孔隙比的换算公式可以确定,通过以下方式得到裂隙发育后的孔隙比e:
e=2log K/e0;
通过以下方式得到裂隙发育的孔隙度:
通过以上步骤,即通过简单地测定两孔之间的气体流经时间即可得出一个精确地孔隙度。
在本申请一些实施例中还提供一种存储介质,所述存储介质中存储有程序信息,计算机读取所述程序信息后执行以上任一项所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
本申请一些实施例中还提供一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法系统,如图5所示,包括至少一个处理器101;以及,与至少一个所述处理器101通信连接的存储器102;其中,所述存储器102存储有可被至少一个所述处理器101执行的指令,所述指令被至少一个所述处理器101执行,以使至少一个所述处理器101能够执行如前所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。图5中以一个处理器101为例。以上系统可以包括:输入装置103和输出装置104。处理器101、存储器102、输入装置103及输出装置104可以通过总线或者其他方式连接,图中以通过总线连接为例。
存储器102作为一种非易失性计算机可读存储介质,可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块,如本申请实施例中的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法对应的程序指令/模块,例如,图1所示的方法流程。处理器101通过运行存储在存储器102中的非易失性软件程序、指令以及模块,从而执行各种功能应用以及数据处理,即实现上述实施例中的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
存储器102可以包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序;存储数据区可存储根据人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法的使用所创建的数据等。此外,存储器102可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中,存储器102可选包括相对于处理器101远程设置的存储器,这些远程存储器可以通过网络连接至执行人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置103可接收输入的用户点击,以及产生与人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。输出装置104可包括显示屏等显示设备。
在所述一个或者多个模块存储在所述存储器102中,当被所述一个或者多个处理器101运行时,执行上述任意方法实施例中的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,其特征在于,包括如下步骤:
在待测岩体内部开设至少两个钻孔,选择其中一个钻孔作为出气钻孔,选择其中一个钻孔为探测钻孔,所述出气钻孔用于向所述待测岩体内喷出安全气体,所述探测钻孔内设置多个探测器;
获取所述待测岩体的初始化空隙比e0、所述出气钻孔的出气压力p以及所述出气钻孔和所述探测钻孔之间的间隔距离L;
获取所述探测器检测到经裂隙进入所述探测钻孔的安全气体的采样时刻,根据所述出气钻孔的喷气时刻确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔之间的渗流时长t;
根据所述间隔距离L和所述渗流时长t确定所述安全气体的渗流速度V0;
根据所述出气压力p、所述渗流速度V0以及所述安全气体的流体粘度μ确定所述安全气体在所述出气钻孔与所述探测钻孔之间的渗透系数K;
根据所述初始化空隙比e0以及所述渗透系数K得到人工扰动导致裂隙发育后的孔隙比e;
根据裂隙发育后的孔隙比e得到裂隙发育的孔隙度,所述裂隙发育的孔隙度作为裂隙发育结果参数。
3.根据权利要求1或2所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,其特征在于:
获取所述出气钻孔的出气压力p的步骤中,所述出气钻孔的出气压力p大于0.5Mp。
4.根据权利要求3所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,其特征在于:
在所述探测钻孔中设置多个探测器,相邻两探测器之间的距离为设定距离值,设定从岩层内部侧到巷道侧的探头编号分别为ni,i=1,2,3……;
获取每一所述探测器ni检测到经裂隙进入所述探测钻孔的安全气体的采样时分别为ti,i=1,2,3……;
获取所述出气钻孔的喷气口与每一探测器之间的距离li,i=1,2,3……;
所述安全气体从所述喷气口渗流至每一探测器的渗流速度分别为vi,i=1,2,3……;
则每一探测器对应的渗透系数Ki=vi×μ/p。
5.根据权利要求4所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,其特征在于:
所述探测钻孔中的编号为n1的探测器与所述出气钻孔中的出气口相垂直,所述相垂直是指:所述出气口与编号为n1的探测器的连线垂直于所述探测钻孔的轴线。
6.根据权利要求5所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法,其特征在于:
所述出气钻孔的出气压力p为1Mp,相邻两两探测器之间的设定距离值为1m。
9.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质中存储有程序信息,计算机读取所述程序信息后执行权利要求1-8任一项所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
10.一种人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定系统,其特征在于,所述包括至少一个处理器和至少一个存储器,至少一个所述存储器中存储有程序信息,至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行权利要求1-8任一项所述的人工扰动后岩体内部裂隙发育情况测定方法。
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