一种基于ct扫描的深部岩石取样方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CT扫描的深部岩石取样方法，先用常规取样方法获得大直径的岩芯，确定岩样的损伤程度和范围，再套取其中心无损伤区域作为小直径岩样，可大大减轻取样卸载损伤的影响，获得无损岩样。所取得的无损岩样平均强度、弹性模量等各方面性能得到提高。本发明方法对于解决高应力取样问题十分有效，可被广泛应用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下工程。
【专利说明】一种基于CT扫描的深部岩石取样方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水利水电工程和深埋地下工程【技术领域】，具体的说是一种基于CT扫描的深部岩石取样方法。
【背景技术】
[0002]对高应力地区隧洞开挖过程中岩爆等动力地质灾害的预测和评估，以及开挖损伤区的估计及支护设计而言，合理准确地获得围岩岩体的强度估计无疑是十分必要的，对隧洞的施工期安全、围岩稳定及长期安全运行均具有重大意义。
[0003]然而，在高应力地区，钻孔取样时随着钻头的钻进，岩芯内某点处的竖直向应力被逐步解除，而水平应力则是在钻头越过该点后才被解除，因此，在钻孔过程中岩芯中将产生较大的主应力差值，此差值将造成岩样的取样损伤。研究表明，在高地应条件下进行常规岩石钻孔取样时，岩样外侧受到取样卸荷损伤的部分超过岩样横截面积的50%以上，常规取样得到的岩样的平均强度会降低5%?15%。同时，高应力常规取样还存在取样损伤的岩样弹性模量和声波速度均有不同程度的降低，岩样的单轴抗压强度也受到较大影响。因此，如何在高应力地区获得损伤小的岩样，是很多工程建设者需要面临的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于CT扫描的深部岩石取样方法，使得所取岩芯的损伤情况得到改善，可被广泛应用于各种深埋地下工程。
[0005]一种基于CT扫描的深部岩石取样方法，包括如下步骤:
[0006]1、在浅埋深条件下或大块岩石中取得与目标取样地点岩性和地质条件相同的大直径岩样3-5组，每组5个岩样，利用CT扫描方法获得无损岩样的CT特征曲线；
[0007]2、在工程现场选定需要取样的位置，通过高应力常规取样得到初始岩样；对初始岩样进行CT扫描，每个岩样从顶部到底部等距分设5?10个扫描横断面，每个扫描横断面划分为多个同心圆统计圈，获得初始岩样各横断面不同直径同心圆的CT特征曲线；
[0008]3、对比、分析步骤I和2的曲线图，确定岩样的损伤程度和范围；
[0009]4、采用套钻方法获得无损伤岩芯。
[0010]所述大直径岩样的直径为150mm-300mm。
[0011]所述CT特征曲线包括平均CT数分布曲线、CT数方差分布曲线和CT数尖峰值分布曲线。
[0012]所述同心圆统计圈为8个。
[0013]本发明一种基于CT扫描的深部岩石取样方法的优点是:先用常规取样方法获得大直径的岩芯，再套取其中心无损伤区域作为小直径岩样，可大大减轻取样卸载损伤的影响，获得无损岩样。CT检测的优势是可以进行多层断面观测，加载荷载大，可以立体成像。所取得的无损岩样平均强度、弹性模量等各方面性能得到提高。本发明方法对于解决高应力取样问题十分有效，可被广泛应用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下工程。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为原始岩样横断面CT扫描示意图；
[0015]图2为同心圆统计圈分布示意图；
[0016]图3a为无损岩样与高应力取样的各统计圈上的平均CT数分布对比曲线图；
[0017]图3b为无损岩样与高应力取样的各统计圈上的CT数方差分布曲线图；
[0018]图3c为无损岩样与高应力取样的各统计圈上的CT数尖峰值分布曲线图；
[0019]图4为对初始岩样套钻取得岩芯的不意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
[0021]首先在浅埋深条件下或大块岩石中取得与目标取样地点岩性和地质条件相同的大直径岩样(直径为150mm-300mm，高度为300mm-600mm) 3-5组(每组5个岩样)，利用CT扫描方法获得无损岩样的CT特征曲线，绘制于附图3a、b、C。
[0022]再在现场选定需要取样的位置，通过高应力常规取样得到一系列同直径同性质的初始岩样。对取得的大直径岩样进行CT扫描,每个岩样从顶部到底部均勻间隔选取5?10个扫描横断面，如图1所示，获得原始岩样不同横断面上的CT数分布。根据本次室内试验的特点，制定了图2所示的统计方案。统计的主要指标有各同心圆上的平均CT数、CT数方差和CT数的尖峰值的个数，每个断面取8个同心圆统计圈(统计圈的个数越多得到的结果越精确，同时考虑到试验的复杂程度，本文以8个为佳)。将高应力常规取样中各扫描断面同心圆上的统计数据绘制于附图3a、b、c。
[0023]由于高应力常规取样孔中的岩样受到的损伤要远大于低应力取样孔中的岩样，低应力取样孔岩样的各同心圆统计圈的平均CT数要明显大于常规高应力取样孔岩样。两种类型的岩样平均CT数在外圈相差较大，Cir6以内两种岩样的平均CT数基本一致，这意味着cir6以内的岩样几乎未受到取样卸载损伤的影响。各岩样的CT数方差在各统计圈上相差不大，常规取样孔岩样中外圈的方差较低应力取样孔较大。在最外圈，常规取样孔岩样损伤严重，其CT数分布的尖峰个数要明显大于低应力取样孔，对于cir5以内各圈，各孔内岩样CT数分布的尖峰个数相差不大，这说明cir5以内的岩样受到的损伤很小。
[0024]常规高应力取样孔的岩样在外圈损伤严重，将其CT特征值曲线与无损取样孔岩样的进行对比分析，可以初步认为，岩样cir6以内的部分较少地受到取样损伤的影响。这样以来，就可以通过对无损取样孔岩样进行图4所示的套钻方法钻取cir6以内的岩芯获得无损岩样。
[0025]若对于取得的岩样经过CT扫描后，绘制出的图3与上述结果存在较大的差异，即高应力岩样与无损岩样的各项指标始终相差较大。导致这种结果的原因可能是，所取初始岩样的直径较小，岩样的整体损伤情况严重。因此在进行高应力取样时，应先钻取较大直径的岩样，再通过套钻的方法获取无损岩样。
[0026]本发明的原理在于:
[0027]对于钻取的大直径岩样，需要先确定其初始损伤的范围和程度，为套钻无损岩样提供依据。检测岩样损伤的方法有很多，如金相学的方法、物理量与等效量的检测方法、声发射检测技术、扫描电镜检测技术等。但这些方法总会存在某些方面的缺陷，CT扫描技术是一门新兴的研究岩石力学的实验技术，CT技术在岩石无损探测以及实时探测岩石在不同受载条件下内部裂纹的变化状况有着重要的作用。CT检测的优势是可以进行多层断面观测，加载荷载大，可采用国际标准圆柱型试样，可以立体成像。CT扫描还具有快速、无损，还可以定量化评价的优点。
[0028]随着科学技术的发展，越来越多其他领域的技术方案被用于工程实际，CT技术现在也被用来对岩石进行检测。在CT检测中，常将材料某点对X射线的吸收系数作为定量分析的CT数，只要对比图像重建后的CT数，就可判断材料断面各部位的损伤缺陷情况。
[0029]CT的
【发明者】Hoursfield教授将空气、水和冰的CT数(又称Hounsfied数，简称H)分别定义为一 1000，0和一 100，所以被检测物体对X射线的吸收系数与CT数之间的换算关系为:
[0030]H= (μ t-μ w)/UwXlOOO (I)
[0031]式中，H为CT数，μ t、μ w分别为相应矿物及水的X射线线性吸收系数。岩石CT图像反映岩石各部位对X射线吸收程度的大小，本质是一幅数字图像，每一像素点的值即为CT数。CT数大小在CT图像上由灰度表示，根据CT物理原理，CT数与对应的岩石密度成正t匕，CT图像的亮色表示岩石高密度区，暗色表示岩石低密度区。
[0032]CT图像研究的目的是研究图像结构特点与CT数分布的关系，方法是分区统计CT图像每个区域内的CT数分布规律。通过研究岩石CT图像的特征，发现无裂隙时CT数直方图呈现单峰曲线特点，有裂隙或空洞发育时直方图呈现多峰曲线特点。
[0033]外围CT平均数大于中心这与尖峰数的规律相反，这表明岩石CT图像的CT数分布特征除了与岩石内部存在的缺陷多寡相关外，还与X射线传播的路径相关，传播距离越长，能量衰减的越厉害，CT数分布的尖峰个数越高。因此，不能通过比较同一岩样中各统计圆面上的平均CT数或CT数分布的尖峰数来判断岩样的取样损伤，只能通过不同岩样在同一统计圆面上的CT扫描结果比较不同应力水平下岩样的取样损伤。
【权利要求】
1.一种基于CT扫描的深部岩石取样方法，其特征在于包括如下步骤: ⑴在浅埋深条件下或大块岩石中取得与目标取样地点岩性和地质条件相同的大直径岩样3-5组，每组5个岩样，利用CT扫描方法获得无损岩样的CT特征曲线； ⑵在工程现场选定需要取样的位置，通过高应力常规取样得到初始岩样；对初始岩样进行CT扫描，每个岩样从顶部到底部等距分设5?10个扫描横断面，每个扫描横断面划分为多个同心圆统计圈，获得初始岩样各横断面不同直径同心圆的CT特征曲线； ⑶对比、分析步骤⑴和⑵的曲线图，确定岩样的损伤程度和范围； ⑷采用套钻方法获得无损伤岩芯。
2.如权利要求1所述的一种基于CT扫描的深部岩石取样方法,其特征在于:所述大直径岩样的直径为150mm-300mm。
3.如权利要求1所述的一种基于CT扫描的深部岩石取样方法，其特征在于:所述CT特征曲线包括平均CT数分布曲线、CT数方差分布曲线和CT数尖峰值分布曲线。
4.如权利要求1所述的一种基于CT扫描的深部岩石取样方法,其特征在于:所述同心圆统计圈为8个。
【文档编号】G01N1/08GK104266862SQ201410579724
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】严鹏, 何艳丽, 卢文波, 陈明 申请人:武汉大学