CN117606937A - 一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法及系统，属于深部岩石蓄能评价及数据处理技术领域，包括：钻取目标地层岩石材料，制成圆盘体和圆柱体试样；对圆盘体试样进行巴西劈裂实验，获取非均质度和非均匀度；对圆柱体试样进行单轴加载，获得受力过程中明显声发射出现时的应力水平，即为岩石的优势相临界应力水平，综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。本申请通过岩石的细观结构分析测试，利用压缩实验完成岩石的蓄能水平计算及蓄能能力评价，为深部工程选址方案、开挖及支护设计提供理论基础。

Description

一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法及系统
技术领域
本发明涉及深部岩石蓄能评价及数据处理技术领域，尤其涉及一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法及系统。
背景技术
在地层深部，岩体处在“三高一扰动”的环境，其中高应力状态使岩石的力学性质及蓄能特征发生改变，表现出与浅部不同的强压缩特性。若开挖后对高蓄能水平岩体造成扰动，极易导致能量释放，造成岩爆等灾害。深部高应力状态下岩石材料蓄能能力的评价对工程选址、开挖及支护设计有指导作用。
岩石宏观力学性能受细观结构的控制，岩石力学实验前对细观结构的评价十分必要。岩石是由不同强度的成分组成，不同组分的多寡、分布情况导致了岩石的非均质性、非均匀性。组成中含量最多的成分被称作“优势相”，优势相对岩石的力学性质、蓄能特征起主导作用。通过细观评价测试对岩石非均质、非均匀性进行定量评价并寻找优势相是首要工作。
岩石的能量相关测试通过压缩实验进行，在压缩过程中借助声发射技术能够监测到部分释放的能量，与细观分析结果对应分析不同成分对蓄能能力贡献率，判断优势相临界状态，完成高应力状态下岩石的体积能量测试，对岩石蓄能能力进行评价。
综上所述，通过岩石的细观结构分析测试，利用压缩实验完成岩石的蓄能特征分析，弥补现有深部岩石材料蓄能能力评价技术空白。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，旨在提供一种高应力状态下岩石材料蓄能能力的评价方法及系统，通过对岩石非均质、非均匀性进行定量分析，判断组成的优势相，通过力学实验分析不同成分对蓄能能力的贡献率，对岩石优势蓄能相的近临界、临界、超临界状态进行分析，得出岩石高应力状态下蓄能水平，进而对岩石蓄能能力进行综合评价。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，包括以下步骤：
步骤S1：钻取目标地层岩石材料，制成圆盘体和圆柱体试样；
步骤S2：对圆盘体试样进行巴西劈裂实验，获取非均质度和非均匀度；
步骤S3：对圆柱体试样进行单轴加载，获得受力过程中明显声发射出现时的圆柱体应力水平，即为岩石的优势相圆柱体临界应力水平；
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量/>：
（6）；
步骤S4：综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
优选地，所述步骤S2包括：
按照式（3）计算圆盘体应力水平，并划分不同圆盘体应力水平阶段，根据不同圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度。
优选地，所述步骤S2包括：
S2-1：在圆盘体试样中间均匀布置3个应变片，在圆盘体试样两侧布置两个声发射探头；
S2-2：根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变，/>为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值。
优选地，所述步骤S2还包括：
S2-3：根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
优选地，所述步骤S3中的获得受力过程中明显声发射出现时的应力水平，即为岩石的优势相临界应力水平包括：
记录单轴加载过程中明显声发射出现时的应力，按照式（7）换算此时的圆柱体应力水平，即为优势相临界应力水平；
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度。
优选地，在步骤S2中，将圆盘体应力水平划分为弱相、中相、强相三个阶段，对应的圆盘体应力水平分别介于0.2-0.4、0.5-0.7、0.8-1.0之间，分别计算三个阶段的声发射事件占比，占比最多的阶段所对应的岩石组分是岩石的优势相。
优选地，在步骤S4中，所述岩石蓄能能力评价方式如：
非均质度分类，Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.4-0.7之间、Ⅲ类：/>＜0.4；
非均匀度分类，Ⅰ类：/>＞0.05、Ⅱ类：/>介于0.03-0.05之间、Ⅲ类：/>＜0.03；
圆盘体应力水平分类，（1）若优势相是强相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：＞0.65、Ⅱ类：/>介于0.5-0.65之间、Ⅲ类：/>＜0.5；（2）若优势相是中相或弱相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.55-0.7之间、Ⅲ类：＜0.55；
体积能量分类，Ⅰ类：/>＞10、Ⅱ类：/>介于6-10之间、Ⅲ类：/>＜6；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅰ类，则岩石蓄能能力评价为：强；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅲ类，则岩石蓄能能力评价为：弱；
除强和弱以外的岩石蓄能能力为：中。
优选地，所述步骤S1中，圆盘体试样规格为φ50mm×25mm，圆柱体试样规格为φ50mm×100mm，表面不平整度小于0.05mm。
另一方面，本申请还请求保护一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统，包括：
实验数据收集处理模块，获取圆盘体和圆柱体试样的实验数据并进行处理，其中，
优势相划分单元，所述优势相划分单元用于获取圆盘体巴西劈裂实验数据，并按照式（3）计算圆盘体应力水平，划分不同圆盘体应力水平阶段，根据不同圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度；
优势相临界应力水平计算单元，所述优势相临界应力水平计算单元用于获取圆柱体试样的单轴加载实验过程中明显声发射出现时的应力数据，并根据公式（7）转换为圆柱体应力水平，即为优势相临界应力水平；
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度；
体积能量计算单元，所述体积能量计算单元用于通过总变形能U与弹性释放能之差计算体积能量，具体计算方式如下：
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量：
（6）；
综合评价模块，用于综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
优选地，所述实验数据收集处理模块还包括：
非均质度及非均匀度计算单元，用于根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变，/>为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值；
以及根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明利用巴西劈裂实验综合分析了岩石的细观结构组成，对岩石的非均质度、非均匀度进行评价，克服了现有技术利用宏观手段分析岩石细观组成的缺陷。
2、本发明首次提出岩石优势相的概念并用于评价岩石蓄能能力，优势相是主导岩石力学性质和蓄能特征的重要成分，对岩石优势相临界状态的判别能够初步对岩石蓄能能力进行评价，据此可对灾害预警提供理论基础。
3、本发明利用多因子综合评价方法，基于岩石非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平、蓄能水平对岩石的蓄能能力进行评价，为深部工程选址方案、开挖及支护设计提供理论基础。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1为本发明岩石材料蓄能水平测试及蓄能能力评价方法技术流程图。
图2为本发明圆盘体加工尺寸。
图3为本发明圆柱体加工尺寸
图4为本发明实施例巴西劈裂实验安装方法俯视图。
图5为本发明实施例单轴加载实验安装方法正视图。
图6为本发明实施例中试样非均质度、非均匀度结果。
图7为本发明实施例中试样优势相统计结果。
图8为本发明实施例中试样应力-应变曲线。
图9为本发明实施例中试样优势相临界状态。
图10为本发明实施例中试样的体积能量。
图11为本发明实施例中试样的蓄能能力。
图12为本发明的评价系统的结构示意图。
图13为本发明的评价系统的处理设备示意图。
其中，3-1：声发射探头，3-2：3个均布应变片，3-3：圆盘体中轴线， 4-1：轴向应变计，4-2：环向应变规。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图1所示，一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，包括以下步骤：
步骤S1：钻取目标地层岩石材料，制成圆盘体和圆柱体试样；具体地，本申请需要在深部目标地层中钻取岩芯或大岩块，并加工成圆盘体、圆柱体试样，一一对应编号；
步骤S2：对圆盘体试样进行巴西劈裂实验，获取非均质度和非均匀度；岩石的成分优势相也通过该实验获得，将在后面介绍；
步骤S3：对圆柱体试样进行单轴加载，获得受力过程中明显声发射出现时的应力水平，即为岩石的优势相临界应力水平；
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量：
（6）；
步骤S4：综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
前述步骤S2中岩石优势相获取的方法包括：
按照式（3）计算圆盘体应力水平，并划分不同应力水平阶段，根据不同应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度。
本发明为保证实验结果的准确性，如图2-3所示，圆盘体和圆柱体须对应取自同一岩芯或岩块。圆盘体规格为φ50mm×25mm，圆柱体规格为φ50mm×100mm，表面不平整度小于0.05mm。如图4所示，在圆盘体中间均匀布置3个应变片，在圆盘体两侧布置两个声发射探头。
优选地，以50N/s的加载速率对所述圆盘体试样施加轴向应力。
根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变，/>为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值。
根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
在本申请中，优选地将应力水平平均划分为10段，分别为0.1、0.2、0.3、0.4…1.0。对岩石的优势相进行选取，首先将应力水平阶段划分为三个区间，分别为应力水平0.2-0.4、0.5-0.7、0.8-1.0，这三个阶段分别对应低、中、高应力水平。由于应力水平为0.1时压力机加载波动，故舍去应力水平0.1。在低、中、高应力水平下，岩石中发生破坏的成分分别是弱相、中相、强相，由于破裂的过程中伴随声发射的产生，那么声发射事件对应岩石的成分破裂。计算0.2-0.4、0.5-0.7、0.8-1.0应力水平阶段的声发射事件占比，分别是岩石中弱相、中相、强相的成分占比。在岩石弱相、中相、强相中占比最多的成分是岩石的优势相。
可以理解，岩石弱相、中相、强相是岩石中不同强度的成分，其承载力不同，弱相是岩石中强度最低的成分，中相是岩石中强度中等的成分，强相是岩石中强度最高的成分。
在本申请中，如图5所示，在对圆柱体试样进行单轴加载实验中，圆柱体两侧布置两个声发射探头，安装环向应变规和轴向引伸计，以200N/s的加载速率对所述试样施加轴向应力。
根据单轴加载过程中的声发射情况，获得岩石的优势相的临界状态，具体为：根据受力过程中明显声发射出现时应力水平，得到优势相的临界状态。
记录单轴加载过程中明显声发射出现时的应力，按照式（7）换算此时的圆柱体应力水平，即为优势相临界应力水平；
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度。
综合以上参数对岩石的蓄能能力进行评价，具体包括以下步骤：
根据岩石非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平、体积能量，对照下表综合评价岩石的蓄能能力。
非均质度分类，Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.4-0.7之间、Ⅲ类：/>＜0.4；
非均匀度分类，Ⅰ类：/>＞0.05、Ⅱ类：/>介于0.03-0.05之间、Ⅲ类：/>＜0.03；
圆盘体应力水平分类，（1）若优势相是强相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：＞0.65、Ⅱ类：/>介于0.5-0.65之间、Ⅲ类：/>＜0.5；（2）若优势相是中相或弱相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.55-0.7之间、Ⅲ类：＜0.55；
体积能量分类，Ⅰ类：/>＞10、Ⅱ类：/>介于6-10之间、Ⅲ类：/>＜6；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅰ类，则岩石蓄能能力评价为：强；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅲ类，则岩石蓄能能力评价为：弱；
除强和弱以外的岩石蓄能能力为：中。
本申请还提供了一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统，参见图12，包括：
实验数据收集处理模块，获取圆盘体和圆柱体试样的实验数据并进行处理，其中，实验数据收集处理模块进一步包括多个单元：
优势相划分单元用于获取圆盘体巴西劈裂实验数据，并按照式（3）计算圆盘体应力水平，划分不同应力水平阶段，根据不同应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
优势相临界应力水平计算单元用于获取圆柱体试样的单轴加载实验过程中明显声发射出现时的应力数据，并根据公式（7）转换为优势相临界应力水平：
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度。
体积能量计算单元用于通过总变形能U与弹性释放能之差计算体积能量，具体计算方式如下：
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量：
（6）；
综合评价模块，用于综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
上述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统，所述实验数据收集处理模块还包括：
非均质度及非均匀度计算单元，用于根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变，/>为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值；
以及根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
上述评价系统，能够根据实验数据，基于本申请的高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法智能计算出岩石的蓄能能量，从而提高了计算效率，为岩土工程提供数据支持。
参阅图13，图13示出了本申请一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统的一种结构示意图，具体的，本申请一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统的处理设备包括处理器501、存储器502以及输入输出设备503，处理器501用于执行存储器502中存储的计算机程序时实现前述高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统的各步骤；或者，处理器501用于执行存储器502中存储的计算机程序时实现如图12对应实施例中各模块的功能，存储器502用于存储处理器501执行上述高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统所需的计算机程序。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器502中，并由处理器501执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在计算机装置中的执行过程。
前述处理设备可包括，但不仅限于处理器501、存储器502、输入输出设备503。本领域技术人员可以理解，示意仅仅是派送资源的处理设备的示例，并不构成对处理设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如处理设备还可以包括网络接入设备、总线等，处理器501、存储器502、输入输出设备503以及网络接入设备等通过总线相连。
处理器501可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是处理设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个设备的各个部分。
存储器502可用于存储计算机程序和/或模块，处理器501通过运行或执行存储在存储器502内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器502内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器502可主要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、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统的处理设备的使用所创建的数据等。此外，存储器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，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
以下结合实施例对本发明提供的高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法进行进一步的说明。
实施例
S1：岩块选自中国山东省某矿山深部，岩性为-800m-900m。按照国际岩石力学标准将岩块对应加工规格为φ50mm×25mm的圆盘体，规格为φ50mm×100mm的圆柱体，保证岩样完整无裂隙，表面不平整度小于0.05mm，圆盘体分别编号为B-1、B-2、B-3、B-4，圆柱体分别编号为D-1、D-2、D-3、D-4；
S2：利用GAW-2000微机控制电液伺服加载单轴实验系统，对岩样进行巴西劈裂实验。
利用公式（1）、（2）、（3）计算岩石的非均质度、非均匀度，结果如图6。
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变，/>为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值。
岩石非均匀度是根据公式（2）进行计算：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
岩石的应力水平阶段是根据公式（3）进行计算：
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度。将应力水平平均划分为10段，分别为0.1、0.2、0.3、0.4…1.0。
计算0.2-0.4、0.5-0.7、0.8-1.0应力水平阶段的声发射事件占比，分别是岩石中弱相、中相、强相的成分占比。在岩石弱相、中相、强相中占比最多的成分是岩石的优势相。计算结果如图7。
S3：利用GAW-2000微机控制电液伺服加载单轴实验系统，对岩样进行单轴加载实验。
当岩石达到最大承载能力时获得岩石的强度。
获得岩石加载过程中的应力-应变曲线，如图8，计算得到岩石的弹性模量。
对岩石的应力-应变曲线按照公式（4）进行积分，计算总变形能。
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值。
S4：基于步骤S3，对岩石单轴加载过程中的声发射进行统计，根据公式（7）计算明显声发射对应所在应力水平，即为优势相破裂时对应的应力水平，结果如图9，此时优势相处在临界状态。
S5：基于步骤S3，根据公式（5）、（6）计算岩石的体积能量，结果如图10。
（5）
式（5）中，是释放的能量值，/>是岩石的弹性模量。
式（6）中，为体积能量。
S6：根据岩石非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平、体积能量，对照下表，对岩石的蓄能能力进行评价，结果如图11。
非均质度分类，Ⅰ类：＞0.7为均质度低、Ⅱ类：0.4-0.7为均质度中、Ⅲ类：＜0.4为均质度中；
非均匀度分类，Ⅰ类：＞0.05为均匀度低、Ⅱ类：0.03-0.05为均匀度中、Ⅲ类：＜0.03为均匀度中；
优势相临界应力水平分类，（1）若优势相是强相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：＞0.65为高水平、Ⅱ类：0.5-0.65为中水平、Ⅲ类＜0.5为低水平；（2）若优势相是中相和弱相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：＞0.7为高水平、Ⅱ类：0.55-0.7为中水平、Ⅲ类＜0.55为低水平；
体积能量分类，Ⅰ类：＞10为高能量、Ⅱ类：6-10为中能量、Ⅲ类：＜6为低能量；
蓄能能力强的岩石在开挖前需做好泄压工作，蓄能能力弱的岩石需做好支护工作。
本发明提供的方法由岩石微观结构入手，分析岩石组成成分的非均质性、非均匀性，提取岩石优势相，对岩石进行压缩实验获得优势相临界应力水平和体积能量，创新地提出了深部高应力状态下岩石材料的蓄能特征评价方法，揭示了岩石宏观性能与微观结构协同作用的本质，为深部工程选址、开挖及支护设计提供指导。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：钻取目标地层岩石材料，制成圆盘体和圆柱体试样；
步骤S2：对圆盘体试样进行巴西劈裂实验，获取非均质度和非均匀度；
步骤S3：对圆柱体试样进行单轴加载，获得受力过程中明显声发射出现时的圆柱体应力水平，即为岩石的优势相圆柱体临界应力水平；
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量/>：
（6）；
步骤S4：综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
2.根据权利要求1所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
按照式（3）计算圆盘体应力水平，并划分不同圆盘体应力水平阶段，根据不同圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度。
3.根据权利要求1或2所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S2-1：在圆盘体试样中间均匀布置3个应变片，在圆盘体试样两侧布置两个声发射探头；
S2-2：根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变， />为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值。
4.根据权利要求2所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
S2-3：根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
5.根据权利要求1或2所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，所述步骤S3中的获得受力过程中明显声发射出现时的应力水平，即为岩石的优势相临界应力水平包括：
记录单轴加载过程中明显声发射出现时的应力，按照式（7）换算此时的圆柱体应力水平，即为优势相临界应力水平；
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度。
6.根据权利要求2所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，在步骤S2中，将圆盘体应力水平划分为弱相、中相、强相三个阶段，对应的圆盘体应力水平分别介于0.2-0.4、0.5-0.7、0.8-1.0之间，分别计算三个阶段的声发射事件占比，占比最多的阶段所对应的岩石组分是岩石的优势相。
7.根据权利要求6所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，在步骤S4中，所述岩石蓄能能力评价方式如：
非均质度分类，Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.4-0.7之间、Ⅲ类：/>＜0.4；
非均匀度分类，Ⅰ类：/>＞0.05、Ⅱ类：/>介于0.03-0.05之间、Ⅲ类：/>＜0.03；
圆盘体应力水平分类，（1）若优势相是强相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：＞0.65、Ⅱ类：/>介于0.5-0.65之间、Ⅲ类：/>＜0.5；（2）若优势相是中相或弱相，优势相临界应力水平分类为Ⅰ类：/>＞0.7、Ⅱ类：/>介于0.55-0.7之间、Ⅲ类：＜0.55；
体积能量分类，Ⅰ类：/>＞10、Ⅱ类：/>介于6-10之间、Ⅲ类：/>＜6；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅰ类，则岩石蓄能能力评价为：强；
若非均质度、非均匀度/>、圆盘体应力水平/>、体积能量/>四项中有三项的分类值为Ⅲ类，则岩石蓄能能力评价为：弱；
除强和弱以外的岩石蓄能能力为：中。
8.根据权利要求1所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，圆盘体试样规格为φ50mm×25mm，圆柱体试样规格为φ50mm×100mm，表面不平整度小于0.05mm。
9.一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统，其特征在于，包括：
实验数据收集处理模块，获取圆盘体和圆柱体试样的实验数据并进行处理，其中，
优势相划分单元，所述优势相划分单元用于获取圆盘体巴西劈裂实验数据，并按照式（3）计算圆盘体应力水平，划分不同圆盘体应力水平阶段，根据不同圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，获取目标地层岩石材料的优势相；
（3）
式中，为圆盘体应力水平，/>为圆盘体所受应力，/>为圆盘体的抗压强度；
优势相临界应力水平计算单元，所述优势相临界应力水平计算单元用于获取圆柱体试样的单轴加载实验过程中明显声发射出现时的应力数据，并根据公式（7）转换为圆柱体应力水平，即为优势相临界应力水平；
（7）
式中，为圆柱体应力水平，/>为圆柱体所受应力，/>为圆柱体的抗压强度；
体积能量计算单元，所述体积能量计算单元用于通过总变形能U与弹性释放能之差计算体积能量，具体计算方式如下：
根据岩石的应力-应变曲线，按照公式（4）进行积分，计算总变形能U：
（4）
式（4）中，为应变值，/>为应力值；
记录单轴加载过程的最大应力值，计算弹性释放能/>：
（5）
式（5）中，是岩石的弹性模量；
通过总变形能U与弹性释放能计算体积能量：
（6）；
综合评价模块，用于综合非均质度、非均匀度、优势相临界应力水平和体积能量评价岩石材料蓄能能力。
10.根据权利要求9所述的一种高应力状态下岩石材料蓄能能力评价系统，其特征在于，所述实验数据收集处理模块还包括：
非均质度及非均匀度计算单元，用于根据公式（1）计算岩石非均质度：
（1）
式（1）中：为岩石的非均质度，/>、/>、/>是3个应变片实时采集的应变， />为应变片实时采集数值的标准差，/>为应变片实时采集数值的均值；
以及根据公式（2）计算岩石非均匀度：
（2）
式（2）中：为岩石的非均匀度，根据公式（3）计算圆盘体应力水平，以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为阶段点，当圆盘体应力水平为0-0.1时记为第1应力水平阶段，当圆盘体应力水平为0.1-0.2时记为第2应力水平阶段，依次类推，划分为10个应力水平阶段，记/>为应力水平阶段数，/>为1-10，/>为第/>个圆盘体应力水平阶段的声发射事件，/>为全部圆盘体应力水平阶段声发射事件总和，/>为第/>圆盘体应力水平阶段的声发射事件占比，/>为每一圆盘体应力水平阶段声发射事件占比的标准差。
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