CN116087338B

CN116087338B - 一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法

Info

Publication number: CN116087338B
Application number: CN202310369799.0A
Authority: CN
Inventors: 韩刚; 张良喜
Original assignee: 106 Geological Team Of Sichuan Bureau Of Geology And Mineral Exploration And Development
Current assignee: 106 Geological Team Of Sichuan Bureau Of Geology And Mineral Exploration And Development
Priority date: 2023-04-10
Filing date: 2023-04-10
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2043-04-10
Also published as: CN116087338A

Abstract

本发明公开了一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，所述岩石脆性破坏前兆指标的构建方法包括：首先，采集室内岩石力学试验过程中的声发射数据，并将声发射信号划分为若干震源子集；其次，采用SLC方法，按时间顺序建立SLC架构，并采用下式表达各震源子集震源数量和震源空间距离之间关系

，式中：L为单链群的键长；N为键长大于、等于L的震源数量，c为常数，d即为d值；最后，采用采用最小二乘法在半对数坐标中求出任意声发射子集的d值，并根据d值的变化分析微破裂的空间分布规律，进而辨别岩石破坏前兆。d值为声发射震源频率与单链群键长半对数坐标系的斜率，d值增大表示微破裂分布相对集中，反之相对弥散。

Description

一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法

技术领域

本发明属于岩石力学与岩土工程领域，尤其涉及一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法。

背景技术

岩石的破坏是一个十分复杂的过程，诸如岩爆、地震等破坏往往十分突然，且缺乏前兆信号。因此，岩石破坏的前兆指标对于地下工程、岩石边坡、地震等预测预报具有十分重要的意义。

关于岩石变形破坏研究，早期主要集中于破坏阶段的划分。基于应力~应变曲线，将岩石内部微破裂活动性与破坏阶段关联。岩石变形破坏过程中，伴随微破裂的形成，会产生声发射现象，声发射信号为破坏阶段划分、破坏位置确定等提供了丰富的信息。1962年，Mogi等通过试验证明，地震过程中的声发射现象与室内岩石力学试验过程中的声发射现象具有相似性。因此，可采用地震学的方法研究岩石破坏过程，这为岩石破坏预测预报研究奠定了基础。

目前，在岩石破坏过程及前兆预测研究方面，或者基于应力~应变曲线，将岩石内部微破裂活动性与破坏阶段关联，或者采用分形的方法研究岩石变形破坏过程，依据分维(例如：b值、空间关联长度(SCL)、关联指数(Dce))的变化开展破坏过程预测预报。

现有技术缺点在于，采用应力~应变曲线方法，虽能确定岩石的破坏阶段，但并不能捕捉破坏的位置，也无法准确预测预报破坏，采用分维指标研究岩石破坏过程仍存在很大困难，而且也并未反映微破裂之间距离的关系。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，本发明方法以单键群(SLC)方法为理论基础，通过室内三轴岩石力学与声发射试验，提出一个预测岩石脆性破坏的新指标：d值，d值为声发射震源频率与单链群键长半对数坐标系的斜率，d值增大表示微破裂分布相对集中，反之相对弥散。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，所述岩石脆性破坏前兆指标的构建方法包括：

首先，采集室内岩石力学试验过程中的声发射数据，并将声发射信号划分为若干震源子集；

其次，采用SLC方法，按时间顺序建立SLC架构，并采用下式表达各震源子集震源数量和震源空间距离之间关系

式中：L为单链群的键长；N为键长大于、等于L的震源数量，c为常数，d即为d值；

最后，采用最小二乘法在半对数坐标中求出任意声发射子集的d值，并根据d值的变化分析微破裂的空间分布规律，进而辨别岩石破坏前兆。

根据一个优选的实施方式，根据d值的变化，将脆性岩石破坏过程划分为：预成核阶段、成核阶段、破裂扩展阶段、动态破坏阶段与滑移阶段。

根据一个优选的实施方式，室内岩石力学试验过程中的声发射数据包括：震源和幅值数据。

根据一个优选的实施方式，室内岩石力学试验所采用的设备包括：MTS815型刚性伺服岩石力学试验系统与PCI-2型声发射系统。

根据一个优选的实施方式，室内岩石力学试验过程中，位移量测采用线性差动位移传感器LVDT。

根据一个优选的实施方式，SLC方法为单键群Single Link Cluster方法。

根据一个优选的实施方式，d值实际为震源频率与键长的斜率，对于任意震源子集，若震源之间空间距离相对较大(也就是长键较多，短键较少)，则震源频率与键长的斜率较平缓，d值较小；反之，若震源之间空间距离相对较小(也就是长键较少，短键较多)，则震源频率与键长的斜率较陡立，d值较大。因此，依据岩石变形破坏过程中的声发射震源总数，划分若干个震源子集，根据d值的变化分析微破裂的空间分布规律，进而辨别岩石破坏前兆。

作为一种直观、简单的集群分析方法，单键群(Single Link Cluster, SLC)方法被Frohlich和Davis于上世纪90年代年首先用于研究地震时空分布规律、辨识主震与余震。基于单链群方法，本发明提出一个表征岩石脆性破坏前兆的新指标(d值)，表达微破裂出现的频率与微破裂之间距离的关系，反映微破裂从无序到有序的发展过程。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

本发明方法获得的d值表示为震源频率与键长的线性关系，计算方法简单，可量化反映微破裂之间空间距离，较定性判别微破裂呈空间、平面分布的关联指数(Dce)具有优势。

本发明方法获得的d值的变化规律与b值、SCL与Dce吻合性较好，可用于辨识岩石累进性变形破坏过程。

理论上，本发明方法获得的d值是以SLC方法为基础。因此，d值不仅可用于室内岩石力学试验研究，还可用于现场微震监测、地震数据分析等。

附图说明

图1(a)是本发明实施例SLC构架示意图；

图1(b)及本发明实施例的d值计算示意图；

图2(a)是本发明实施例应力~应变曲线特征示意图；

图2(b)是图2(a)的局部放大示意图；

图3(a)是图2(a)中O-A段声发射震源的SLC构架；

图3(b)是图2(a)中B-C段声发射震源的SLC构架；

图3(c)是图2(b)中C₂-C₃段声发射震源的SLC构架；

图3(d)是图2(b)中C₆-C₇(D)段声发射震源的SLC构架；

图3(e)是图2(b)中C₇(D)-D₁段声发射震源的SLC构架；

图3(f)是图2(b)中D₆-D₇段声发射震源的SLC构架；

图3(g)是图2(b)中D₇-D₈段声发射震源的SLC构架；

图3(h)是图2(b)中D₁₂-D₁₃段声发射震源的SLC构架；

图3(i)是图2(b)中D₁₃-D₁₄段声发射震源的SLC构架；

图3(j)是图2(b)中D₁₄-D₁₅(E)段声发射震源的SLC构架；

图4是本发明实施例D_ce、b值、SCL与d值的计算结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本实施例公开了一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法。具体地：

室内岩石力学试验所采用的设备为MTS815型刚性伺服岩石力学试验系统与PCI-2型声发射系统。岩石力学试验系统最大轴向荷载为4600 kN，环向最大应力为140 MPa，轴向位移行程0~100 mm，侧向引伸计范围-4~4 mm，试验过程中，位移量测采用线性差动位移传感器(LVDT)。与此同步，监测声发射震源空间与时间变化，声发射采集系统频率带宽1 kHz~3 MHz，最大信号幅值为100 dB，动态幅值范围为85 dB。8个micro30型声发射探头十字形布设于靠近试样上、下端部处，探头频率为100~400 kHz，门槛值设为30dB，定位误差约为2mm。

试验围压设为10 MPa，加载应力路径分为如下三步：(1)以0.05MPa/s速率增加荷载至预设围压，使试样处于静水压力状态，并稳压；(2)保持围压不变，以0.05MPa/s速率单调增加轴向荷载至80%峰值强度(约218 MPa)；(3)为了测试峰后岩石特性，改用位移控制方式，以0.02mm/min施加环向应变，直至破裂出现。

对于任意声发射震源子集，依据SLC方法可建立声发射震源分布的SLC构架，如图1（a）和图1（b）所示。通过统计SLC构架中大于等于某键长的震源数量，采用最小二乘法在半对数坐标中求出任意声发射子集的d值。

对于任意震源子集，震源数量和震源空间距离之间的关系可采用下式表达：

(1)

式中：L为单链群的键长；N为键长大于、等于L的震源数量；c为常数；d即为d值。

基于轴向应力~应变曲线特征，如图2（a）、图2（b）所示，本实施例试样破坏阶段也可划分为裂纹闭合(OA)、弹性阶段(AB)、裂纹稳定扩展阶段(BC)、裂纹非稳定扩展阶段(CD)与破坏阶段(DI)。OA段轴向应力~应变曲线呈上凹型，代表试样内部先期存在的微裂纹逐渐闭合；AB段轴向应力~应变近似线性，代表试样呈近似弹性；BC段轴向应力~应变略呈下凹型，代表平行于轴向应力的微破裂产生与发展；CD段轴向应力~应变曲线逐步偏转，斜率逐渐减小，代表试样内部微破裂逐步搭接、贯通，峰值强度约为272 MPa；DI段为峰后破坏阶段，轴向应力~应变曲线呈突然跌落，表现出明显脆性破坏特征，残余强度约为95 MPa。

(1)OA段与BC段(图3(a)，图3(b))：声发射震源数较少，且分布较为离散，SLC架构中长键(l>10mm)(蓝色)数量较多，短键(l<5mm)数量较少，说明震源分布较为离散、稀疏，且震源空间分布位置与最终破裂面之间并无关联，表明裂纹非稳定扩展阶段之前的声发射对岩石损伤影响较小。

(2)CD段(图3(c)，图3(d))，SLC构架中短键与中等键

数量陡增，且主要分布于试样的中上部，长键主要分布于试样顶部、下部或侧边附近；短键与中等键空间分布形态与最终破裂面近似，空间上，在一倾斜面上均匀分布。上述特征说明，裂纹非稳定扩展阶段的声发射对岩石损伤产生影响，空间距离小于10mm的震源均匀分布于最终破坏面附近。

(3)DD1段(图3(e))：震源总体分布特征与前述CD段类似，但短键数量相对较多，且在最终破坏面附近局部集群分布。

(4)D2~D12段(图3(f)，图3(g))：震源总体分布特征与前述CD段类似，但短键数量仍相对较多，部分短键、中等键在最终破坏面附近呈相对集中的圆环状分布。

(5)D12~D13段(图3(h))：震源集中分布于试样中上部，且长键数量很少，以短键数量最多，短键、中等键集中分布，在空间上形成倾斜面。

(6)D13~D15段(图3(i)，图3(j))：短键数量较D12~D13段减小，长键数量相对增加，震源在空间上分布逐步由集中转变为分散，但仍处于最终破坏面附近。

上述声发射震源空间分布表明：随着轴向应力的增加，岩样产生累进性损伤，声发射震源由最初的离散、稀疏分布→临近最终破坏面的均匀分布→最终破坏面上的集中分布→临近最终破坏面的均匀分布；键长特征由最初的长键占多数→以短键为主→短键数量减少，长键数量增加。上述震源分布以键长特征定性的揭示岩石破坏过程中的声发射由初期的离散、无序分布到后期的集中、有序分布。

上述应力~应变曲线特征、震源分布于键长特征仅能定性的揭示岩石的破坏过程。为能量化辨识岩石破坏前兆，根据上述24个震源子集，采用式(1)分别计算d值，并分析岩石变形破坏过程中的d值变化。为验证本方法提出d值的有效性，同时根据上述震源子集计算b值、空间关联长度(SCL)、关联指数(Dce)，计算结果见图4(仅列出CE段)。

(1)峰值应力前：b值逐步减小，由初期的1.76减小至1.44；SCL波动增加，在峰值应力处陡降至2.88；Dce总体波动减小，在峰值应力处略增至2.73；d值波动变化，由初期0.141增加至0.158，再逐步降低至1.149。上述b值、SCL与Dce的变化规律表明，在峰值应力前，试样内部的微破裂呈散乱、无序分布。虽然SLC架构中的短键与中等键分布相对集中，但综合长键后，震源分布仍是较为散乱，因此，d值较小。

(2)成核阶段：成核点为应力~应变曲线斜率突然反转处，且微破裂密集分布。可以判定成核点位于D1处。该点处b值为1.29，SCL为3.12，Dce为2.25，除SCL异常外，b值与Dce均较峰值应力前减小，说明试样内部的微破裂逐步由散乱、无序分布过渡到有序分布。与此同时，d值陡增至0.174，表明震源间距离以短键居多，也进一步说明微破裂呈集中分布。

(3)破坏前期：b值、SCL与Dce均呈波动式长期减小，最大、最小值分别为1.49、1.21(b值)，3.14、2.71(SCL)，2.91、2.35(Dce)。b值、SCL与Dce的变化趋势表明，试样内部的微破裂分布逐步局部化。值得注意的是，在破坏点之前，b值、SCL与Dce均存在一个局部异常低值(D8)。关于这种异常，Main解释为地震沉默现象，说明在主破裂面贯通之前，存在多次局部微破裂集中。而对于d值，其变化呈波动式长期增加，最大、最小值分别为0.177、0.140，最大值点与b值、SCL与Dce最小值相对应，表明随着成核阶段之后，试样内部微破裂空间分布具有反复多次的由相对无序到相对有序的过程。

(4)破坏点处：b值、SCL与Dce均降至最低值，分别为1.15、2.68、2.02，量级与已有研究近乎一致。表明破坏点处，脆性岩石内部微破裂集中分布于呈平面的破裂面附近，呈有序分布。而d值在此处为最大值，为0.178，表明微破裂之间空间距离较小，也反映出微破裂呈集中、有序分布的特点。

(5)破坏后期：b值、SCL与Dce均转为增大，而d值则逐步减小，表明破裂面形成后的滑动主要是克服分布相对离散的“锁固点”，微破裂分布相对无序。

根据上述24个震源子集，分别计算d值、b值、SCL与Dce，d值的变化规律与其余三个指标具有很好的吻合性，表明通过d值辨别岩石变形破坏过程是有效的。根据d值的变化，可将脆性岩石破坏过程划分为：预成核阶段、成核阶段、破裂扩展阶段、动态破坏阶段与滑移阶段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，其特征在于，所述岩石脆性破坏前兆指标的构建方法包括：

式中：L为单键群的键长，N为键长大于、等于L的震源数量，c为常数，d即为d值；

最后，采用最小二乘法在半对数坐标中求出任意声发射子集的d值，并根据d值的变化分析微破裂的空间分布规律，进而辨别岩石破坏前兆；

根据d值的变化，将脆性岩石破坏过程划分为：预成核阶段、成核阶段、破裂扩展阶段、动态破坏阶段与滑移阶段；

d值实际为震源频率与单键群的键长的斜率，对于任意震源子集，若震源之间空间距离相对较大，即是长键较多，短键较少，则震源频率与单键群的键长的斜率平缓；反之，若震源之间空间距离相对较小，即是长键较少，短键较多，则震源频率与键长的斜率陡立。

2.如权利要求1所述的岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，其特征在于，室内岩石力学试验过程中的声发射数据包括：震源和幅值数据。

3.如权利要求1所述的岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，其特征在于，室内岩石力学试验所采用的设备包括：MTS815型刚性伺服岩石力学试验系统与PCI-2型声发射系统。

4.如权利要求3所述的岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，其特征在于，室内岩石力学试验过程中，位移量测采用线性差动位移传感器LVDT。

5.如权利要求1所述的岩石脆性破坏前兆指标的构建方法，其特征在于，SLC方法为单键群Single Link Cluster方法。