CN116519802A - 一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，包括：从矿山井下钻取新鲜花岗岩岩样，自然环境下风化7年制作标准试件；对所述的标准试件分别进行不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，获得各标准试件的应力‑应变关系图、声发射能量‑累计能量‑应力‑时间关系图；由声发射累计能量定义风化花岗岩的脆性指数B 3，对不同围压下风化花岗岩的脆性进行定量评价。本发明不完全依赖于应力‑应变行为的变化，从声发射信号参数中直接获得，方便快捷，计算过程简便，提高了脆性评价结果的确定性，对研究此类矿山围岩的变形破坏及矿山作业中稳定支护有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于矿山围岩稳定支护与安全开采技术领域，具体涉及一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法。
背景技术
矿山的地下开采受各种地质条件的影响，井下的岩体通常处于潮湿、含水量大且易风化的环境中。对于矿山围岩的部分花岗岩，因其在成岩过程中受到蚀变泥化作用的影响形成时黏土矿物较多，在水的作用下易发生崩解软化削弱其抗风化能力，再经过风化作用后，其力学性能大幅削弱，这给矿山围岩稳定的支护及人员安全带来诸多弊端。因此研究此类风化花岗岩的工程特性，尤其是与其实际所处应力状态相近的三轴压缩下的变形破坏特性，对解决矿山围岩稳定及安全开采意义重大。
脆性指数是描述岩石变形破坏特性的重要指标。目前对岩石的脆性评价方法主要包括：利用应力-应变曲线的弹性参数或强度参数直接评价，或将基于能量平衡的相关理论运用于应力-应变曲线上进行评价以及通过岩石的破坏模式评价。前两种评价方法均需要用到应力-应变曲线，并且评价思路有三种：1.仅从应力-应变曲线峰值前的特征信息进行脆性评估；2.仅通过应力-应变曲线峰值后的特征信息进行脆性评估；3.对应力-应变曲线峰前和峰后特征的信息进行组合后，再进行脆性评估。尽管应力-应变曲线的峰前、峰后变形或破坏特征可以单独视为岩石脆性的指标，但后者用的最多，因为应力-应变曲线的峰后特征表示岩石即将破坏时的变形，峰后力学响应反映了自我维持能力。岩石破坏后，峰值后应力下降和应变软化明显，因而在脆性评估中更容易获得关键信息，但对于弱脆性岩石和韧性岩石来说，其脆性难以通过应力-应变曲线的峰后特征表现出来，因此无法计算峰后相关脆性参数，包括：残余应力和应变等。此外，运用能量平衡理论通过应力-应变曲线计算能量时通常需要假设加载过程中的岩石试样与外界无热交换的过程，使其满足热力学第一定律，便于后续能量的计算。但实际上，上述情况只是一种理想状态，即岩石试样与外界无热交换过程是存在的，通过这一假设计算得到的能量存在误差，对脆性评价的准确性产生一定的影响。
对于通过岩石的破坏模式进行脆性评价的方法。一般情况下，岩石的破坏模式主要有四种：复合剪切破坏、劈裂破坏、剪切破坏和塑性破坏，其中复合剪切破坏包括沿多个平面的剪切滑移或破坏，而劈裂破坏包括沿加载方向的破坏。当岩石的脆性增加时，更容易在岩石表面发现明显的破裂，因此岩石最有可能发生多平面模式和劈裂模式的剪切破坏。对于半脆性和弱脆性岩石，更可能发生单平面模式的剪切破坏，而对于韧性岩石，最可能发生塑性破坏。当然，也存在岩石即使出现大变形，但其表面却无明显破裂的情况。由此可见，此类方法存在一定的不确定性，这也使其脆性评价结果的准确性大幅降低。
综上，目前基于应力-应变曲线或岩石试样的破坏模式所得到的岩石脆性评价方法通常会受到岩石物理力学性质的影响，并且利用应力-应变曲线进行能量的计算时还需要对试样进行理论与模型假设，存在诸多的不确定性因素，评价结果不够准确。
声发射(AE)作为一种实时无损监测材料内部变形破坏的技术，更为直接地反映岩石试样内部裂纹萌生、扩展和贯通以及断裂的发生。因此有必要将能量平衡及其相关理论运用于声发射技术，即通过声发射能量去研究岩石的变形破坏，并建立基于声发射累计能量的脆性指标评价方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种以声发射累计能量定义不同围压下风化花岗岩的脆性指数，定量分析围压效应对风化花岗岩脆性影响的不同围压下风化花岗岩脆性评价方法，该方法不完全依赖于应力-应变行为的变化、快捷方便、评价结果准确性高，对研究此类矿山围岩的变形破坏及矿山作业中稳定支护有很好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，包括以下步骤：
步骤一、制备风化花岗岩标准试件：从矿山井下钻取新鲜花岗岩岩样，自然环境下风化7年，再将风化后的花岗岩岩样制作成标准试件；
步骤二、对步骤一所述的标准试件分别进行不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，获得各标准试件的应力-应变关系图、声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
步骤三、定义并求出不同围压下风化花岗岩标准试件的脆性指数B3，具体步骤包括：
对破坏前的标准试件，试件内部发生裂纹萌生、扩展和贯通等一系列塑性变形，一部分应变能得到释放。时间t1前消耗的能量对应该过程的能量耗散，此过程耗散能量占总能量的比越高，其脆性特征就愈加明显，由此，基于耗散能量的脆性指数可由下式计算：
（1）
式中，E1为耗散的能量，E2为积聚的应变能。
对随着载荷增加而趋于完全破坏的岩石的标准试件，该过程对应的时间间隔为t1- t2，积聚的总应变能大量释放。若认为该过程应变能释放速率越快，脆性越高。则基于应变能释放率的脆性指数可由下式计算：
（2）
式中，t1、t2分别为岩石标准试件峰值应力对应时间和完全破坏时间。
由此，可通过式(1)和式(2)得到基于声发射累计能量的脆性指标计算式：
（3）
步骤四、对步骤三得到的不同围压下风化花岗岩的脆性指标值进行汇总，定量对比分析围压效应对风化花岗岩脆性的影响，根据脆性评价指标B3的变化规律判断风化花岗岩在不同围压下的脆性变化趋势。
进一步地，步骤一中所述的标准试件尺寸均为直径50mm、高度100mm的圆柱体，加载的标准试件均满足外观完整、质地均匀、无明显节理与裂隙。
进一步地，步骤二中所述三轴压缩同步声发射试验的加载过程分为两个阶段：第一阶段为轴向荷载与围压同时加载，此时为力控制加载，围压速率为0.5MPa/s，直到围压到达指定值；第二阶段为保持围压稳定，再通过位移控制加载，加载速率为0.01mm/s，继续施加轴向压力直到标准试件破坏；此外，为过滤外界噪音的影响，确保数据的真实性，将声发射门槛值设定为50dB，采样率设定为3MSPS。
本发明的有益效果：
本发明通过对风化花岗岩标准试件开展不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，以标准试件的声发射累计能量定义不同围压下风化花岗岩的脆性指数，定量分析了围压效应对风化花岗岩的脆性影响；
本发明通过对风化花岗岩标准试件进行三轴压缩同步声发射试验，直接获取不同围压下标准试件的声发射能量参数，再通过步骤三中的计算公式，分别利用声发射能量、时间参数计算出基于耗散能量的脆性指数B1、基于应变能释放率的脆性指数B2, 再将两者的商B3作为脆性评价指标，根据脆性评价指标B3的变化规律来判断风化花岗岩试样在不同围压下的脆性变化趋势，与通常采用的基于应力-应变曲线或岩石试样的破坏模式所得到的岩石脆性评价方法相比，该方法能及时显示和监测岩石的脆性变化趋势。
本发明不完全依赖于应力-应变行为的变化，从声发射信号参数中直接获得，方便快捷、计算过程简便准确，提高了评价结果的准确性；
本发明的可靠性由试验现象验证，在实际矿山围岩稳定与支护工程中，采用该方法能够对风化花岗岩围岩的脆性快捷、准确地进行评估，掌握其变形破坏的特性以便对矿山围岩稳定及安全开采提供相应的方案。
本发明从能量的角度出发，将能量平衡运用于声发射能量，同时兼顾了声发射能量参数在峰值前和峰后破坏阶段的变化，相对于仅从峰值前或峰值后的特征参数进行分析的方法更加全面。
附图说明
图1为本发明实施例不同围压下风化花岗岩标准试件的应力-应变关系图；
图2为本发明实施例0MPa围压下风化花岗岩标准试件a的声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
图3为本发明实施例2MPa围压下风化花岗岩标准试件b的声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
图4为本发明实施例4MPa围压下风化花岗岩标准试件c的声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
图5为本发明实施例6MPa围压下风化花岗岩标准试件d的声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
图6为本发明实施例8MPa围压下风化花岗岩标准试件e的声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
图7为本发明实施例能量划分原理图；
图8为本发明实施例0MPa围压下风化花岗岩标准试件a的破坏形态图；
图9为本发明实施例2MPa围压下风化花岗岩标准试件b的破坏形态图；
图10为本发明实施例4MPa围压下风化花岗岩标准试件c的破坏形态图；
图11为本发明实施例6MPa围压下风化花岗岩标准试件d的破坏形态图；
图12为本发明实施例8MPa围压下风化花岗岩标准试件e的破坏形态图。
具体实施方式
一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，包括以下步骤：
步骤一、制备风化花岗岩标准试件：从矿山井下钻取新鲜花岗岩岩样，自然环境下风化7年，再将风化后的花岗岩岩样制作成标准试件；
本实施例选用的花岗岩岩样均采自江西某矿山花岗岩型厚大钽铌矿体，其矿物组成成分主要为：石英、长石、黑云母以及一些蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物。其中石英具有紧密的结构，因此其力学性能较好，长石则次之；对于黑云母，其质地软，孔隙结构特征较为突出；而对黏土矿物，其是岩样在成岩过程中受到蚀变泥化而间接产生的，遇水易膨胀，而且在风化作用下岩样内部的黏土矿物含量会增加，这易使结构孔隙增多、变得胶结松散，并在一定程度上促进风化作用的进行，从而弱化岩样的力学性能。在矿山现场从深度为200 m的井下钻取新鲜岩样，将其置于地表自然状态下风化7年后，依照国际岩石力学对试验的相关要求在实验室内将岩样加工成标准试件，其中用于三轴压缩试验的标准试件为直径50mm、高度100mm的圆柱体。
步骤二、对步骤一所述的标准试件分别进行不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，并获得各标准试件的应力-应变关系图、声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
由图1可知，风化花岗岩在不同围压下的应力-应变曲线分为4个阶段，压密阶段A、弹性变形阶段B、塑性发育阶段C、峰后破坏阶段D。在压密阶段，标准试件内部一些经过风化后以及原生的孔隙伴随初始荷载的施加发生闭合，这一阶段其应力-应变曲线呈“上凹”的增长趋势；之后，标准试件逐渐进入弹性变形阶段，该阶段标准试件内部的孔隙进一步被压密，同时也有少量的微裂纹产生，但标准试件整体无明显变化，其应力-应变曲线则近似呈现为直线；随着荷载的继续施加，标准试件逐渐进入塑性发育阶段，该阶段的风化花岗岩标准试件内部主要发生一些不可逆的塑性变形，具体表现为新裂纹的大量产生、发育及扩展；继续施加荷载，标准试件便进入了峰后破坏阶段，在到达峰值前风化花岗岩标准试件内部的新旧裂纹大规模的产生、发育、扩展及贯通，可从标准试件表面逐渐看到一些宏观的裂纹产生。到达应力峰值附近时，此时标准试件内部积聚的应变能大量释放，并伴随一声脆响，标准试件发生失稳破坏；从其应力-应变关系图可以看到应力在峰后并没有呈直线下降，而是随着应变的增加缓慢的下降，这就说明在失稳破坏后标准试件仍有一定的承载能力，并在峰后发生进一步的破坏。
由图2、图3、图4、图5、图6可知，在峰值应力前的各阶段，不同围压下各标准试件的声发射累计能量曲线均呈现出缓速增长的趋势，对应的声发射能量处于低水平状态；在峰值应力附近时，可以看到各标准试件的声发射累计能量曲线均出现了转折点，对应的能量则处于较高水平，这意味着声发射能量有加速释放的趋势，并且是在较短时间内集中释放；而在峰值应力后的阶段，各标准试件的声发射累计能量曲线均处于高速率增长的趋势，对应的声发射能量处于高水平状态，并在某一点处达到峰值。上述现象进一步表明，应力峰值前标准试件内部以摩擦型和小规模的断裂型事件产生为主，应力峰值及应力峰值后标准试件内部则是以大规模摩擦型和断裂型事件产生为主。此外，当围压增加时，监测到的声发射能量值特别是应力峰值后的能量值也在不断增加，这间接反映在围压较高的条件下，风化花岗岩的变形破坏需要消耗更多的能量。
步骤三、定义并求出不同围压下风化花岗岩标准试件的脆性指数B3，具体步骤包括：
从能量的角度出发，脆性材料以弹性变形的形式积聚应变能，之后在失稳破坏时将大部分积聚的应变能进行释放。因此，对声发射得到的能量参数也需要考虑峰值前和峰后破坏阶段的能量变化，故可将总的声发射累积能量划分为两部分如图7所示。即：
对破坏前的标准试件，标准试件内部发生裂纹萌生、扩展和贯通等一系列塑性变形，一部分应变能得到释放，时间t1前消耗的能量对应该过程的能量耗散，此过程耗散能量占总能量的比越高，其脆性特征就愈加明显，由此，基于耗散能量的脆性指数可由下式计算：
（1）式中，E1为耗散的能量，E2为积聚的应变能。
对随着载荷增加而趋于完全破坏的岩石标准试件。该过程对应的时间间隔为t1-t2，积聚的总应变能大量释放。若认为该过程应变能释放速率越快，脆性越高。则基于应变能释放率的脆性指数可由下式计算：
（2）
式中，t1、t2分别为岩石标准试件峰值应力对应时间和完全破坏时间。
由此，可通过式（1）和式（2）得到基于声发射累计能量的脆性指标计算式：
（3）
步骤四、对步骤三得到的不同围压下风化花岗岩标准试件的脆性指标值进行汇总，定量的对比分析围压效应对风化花岗岩脆性的影响；
基于声发射累计能量得到的风化花岗岩标准试件脆性评价结果汇总见表1，由表1可知，当围压分别为0MPa、2MPa、4MPa时，其对应的脆性指标值B3分别为4.55、2.65和1.84，呈现出减小的趋势，而当围压分别为6MPa、8MPa时，得到的脆性指标值B3分别为4.65、5.22，可以看到该指标值在围压为4MPa后又出现了增加的趋势。因此，在围压从0MPa增加到8MPa的过程中，风化花岗岩的脆性整体表现出现降低后上升的趋势。如图8、图9、图10、图11、图12可知，当标准试件在处于0MPa ~ 4MPa范围时，可观察到其处于劈裂破坏过程且对应的宏观断裂裂纹的数量逐渐减小，说明围压的增加使得矿物颗粒之间逐渐紧密贴合，从而抑制了一些断裂裂纹的产生，使其脆性逐渐降低；而当标准试件处于4MPa ~ 8MPa范围时，其破坏形式由劈裂破坏向剪切破坏过渡且观察发现标准试件表面的宏观断裂裂纹的数量逐渐增多，这与一般岩石的研究结果不同，是由于风化作用使风化花岗岩标准试件内部出现了不均匀性，导致围压较高时在对某些方向的一部分裂纹扩展抑制的同时，还促进了其它方向一些裂纹的扩展，但总体仍表现为剪切破坏，因此其脆性出现增加的现象。
表1 基于声发射累计能量得到的风化花岗岩标准试件脆性评价结果
表1中，E1为耗散的能量，单位为mv*ms， E2为积聚的能量，单位为mv*ms；t1为试样到达峰值应力时对应的时间，单位为s；、t2为试样完全破坏的时间，单位为s；B1为基于耗散能量的脆性指数；B2为基于应变能释放率的脆性指数；B3为基于声发射累计能量的脆性指标。
本发明通过对风化花岗岩标准试件开展不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，以各标准试件的声发射累计能量定义不同围压下风化花岗岩的脆性指数，定量分析了围压效应对风化花岗岩的脆性影响，试验现象证明上述方法具备一定的可靠性，在实际矿山围岩稳定与支护工程中，可采用该方法很好的对风化花岗岩围岩的脆性进行评估，进而掌握其变形破坏的特性以便提供相应的解决方案。以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备风化花岗岩标准试件：从矿山井下钻取新鲜花岗岩岩样，自然环境下风化7年，制作标准试件；
步骤二、对步骤一所述的标准试件分别进行不同围压下的三轴压缩同步声发射试验，获得各标准试件的应力-应变关系图、声发射能量-累计能量-应力-时间关系图；
步骤三、定义并求出不同围压下风化花岗岩标准试件的脆性指数B3，具体步骤包括：
对破坏前的标准试件，耗散能量的脆性指数由下式计算：
（1）
式中，E1为耗散的能量，E2为积聚的应变能；
对随着载荷增加而趋于完全破坏的标准试件，应变能释放率的脆性指数由下式计算：
（2）
式中，t1、t2分别为岩石标准试件峰值应力对应时间和完全破坏时间；
通过式（1）和式（2）得到基于声发射累计能量的脆性指标计算式：
（3）
步骤四、对步骤三得到的不同围压下风化花岗岩的脆性指标值进行汇总，根据脆性评价指标B3的变化规律，评价风化花岗岩在不同围压下的脆性变化趋势。
2.根据权利要求1所述的一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，其特征在于，步骤一中所述的标准试件尺寸为直径50mm、高度100mm的圆柱体，标准试件满足外观完整、质地均匀、无明显节理与裂隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种不同围压下风化花岗岩的脆性评价方法，其特征在于，步骤二中所述的三轴压缩同步声发射试验的加载过程分为两阶段：第一阶段为轴向荷载与围压同时加载，此时为力控制加载，围压速率为0.5MPa/s，直到围压到达指定值，第二阶段为保持围压稳定，通过位移控制加载，加载速率为0.01mm/s，继续施加轴向压力直到标准试件破坏。
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