三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析方法及装置

本公开的实施例一般涉及采矿领域，并且更具体地，涉及三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析方法、装置、设备和计算机可读存储介质。

背景技术：

随着浅部矿产资源逐渐耗竭，深部矿体开采逐渐成为常态。深部开采带来的“三高一扰动”（高地应力、高地温、高井深，强烈开采扰动）问题图出。充填法成为各种资源开采的首选方案。地下采矿中的充填法对于地压控制以及材料回收和能源效率的提高尤其重要。然而，现有实验知识研究了围岩与充填体单方面受压或侧限条件下的强度指标，无法从细观层面上解释岩石与充填体系统耦合作用的机理。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供了一种三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析。该方法包括：岩石与充填体耦合试样制备；对所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描；对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩，并通过声发射监测；对失效后的所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描；根据对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩前后进行x射线计算机断层扫描结果建立裂隙三维重建模型，结合声发射监测所采集到的数据对三轴压缩过程中各时刻的破坏模式进行精准定位。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述岩石与充填体耦合试样制备包括：对试验工程岩体对象进行取样；将取样得到的岩体制成圆柱形试样;将所述圆柱形试加工成中空圆柱试样；对所述中空圆柱试样进行充填。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描包括：分别对中空圆柱试样与充填体进行电镜扫描；将电镜扫描图像与ct灰度图像进行配准；对电镜扫描图像进行图像分割；结合图像配准结果，利用ct灰度图像的分割结果，建立ct灰度图像的图像灰度值与岩石组分比例的关系曲线，进而完成ct灰度图像的分割。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩包括：将所述岩石与充填体耦合试样固定于引伸计中，然后将引伸计与试验机连接；对试样进行三轴压缩；当试样失效，进入残余强度阶段，停止试验。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述通过声发射监测还包括：根据声发射监测结果，计算平均频率af、上升角ra以及ae能量；生成不同破坏模式下的ae能量随时间变化和轴向应力随时间变化的叠加曲线，对监测到的微裂纹进行破坏模式的识别与分类。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述根据对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩前后进行x射线计算机断层扫描结果建立裂隙三维重建模型包括：通过对所述裂隙三维重建模型的数据进行转换分析，根据裂隙的形状和方向，将裂隙分割为不同类别。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述结合声发射监测所采集到的数据对三轴压缩过程中各时刻的破坏模式进行精准定位包括：将应力应变曲线根据曲线斜率、ae能量及裂隙的不同类别，划分为不同阶段。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述不同阶段包括：压实阶段、弹性阶段、应变硬化阶段、第一次重大破坏阶段、第二应变硬化阶段、第二次大压裂阶段、第三应变硬化阶段。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析方法的流程图；

图2示出了根据本公开的实施例的1两种主要类型的ae波形及其关联的断裂模式的示意图；

图3示出了根据本公开的实施例的ae能量随时间变化和轴向应力随时间变化的叠加曲线示意图；

图4（a）示出了能够实施本公开的实施例的点云显示岩石包裹充填体样品三轴破坏后在ct扫描中识别出的样品完整裂纹示意图；

图4（b）示出了能够实施本公开的实施例的点云显示岩石包裹充填体样品三轴破坏后在ct扫描中识别出的主剪切破坏示意图；

图4（c）示出了能够实施本公开的实施例的点云显示岩石包裹充填体样品三轴破坏后在ct扫描中识别出的接触面拉伸破坏示意图；

图4（d）示出了能够实施本公开的实施例的点云显示岩石包裹充填体样品三轴破坏后在ct扫描中识别出的第二剪切破坏示意图；

图4（e）示出了能够实施本公开的实施例的点云显示岩石包裹充填体样品三轴破坏后在ct扫描中识别出的第二拉伸破坏示意图；

图5示出了能够实施本公开的实施例的应力-应变曲线分阶段示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

图1示出了根据本公开实施例的三轴压缩下岩石与充填体耦合破裂分析方法100的流程图。

在框110，岩石与充填体耦合试样制备；

在一些实施例中，岩石与充填体耦合试样制备包括：

首先，对试验工程岩体对象进行取样；例如，所述实验工程岩体对象以某铁矿开采的闪长岩岩芯为主体；

然后，将取样得到的岩体制成圆柱形试样;例如，将所述闪长岩岩芯加工为直径50mm、长度100mm的全岩柱试样；

然后，将所述圆柱形试加工成中空圆柱试样；例如，对所述全岩柱试样进行二次加工，在其内部钻出一个空心小圆柱，规格为内径30mm，长度100mm；

最后，对所述中空圆柱试样进行充填，其中，充填材料可以是铁矿全尾砂，得到岩石与充填体耦合试样。

在一些实施例中，将某铁矿全尾砂以1：6，1：8两种灰沙比以及65%，70%两种体积分数进行严格配比，搅拌均匀后注入底部放置盖套的中空岩柱试样，盖套扎有小孔，浇筑为外围围岩、内圈充填体的试样。浇筑完毕后，静置试样6h，待充填料浆液面收缩下沉，继续充填，直至充填料浆液面与岩柱持平。待充填料浆充分胶结凝固后，将其放入标准养护室，在养护28d之后即可进行三轴压缩试验。

在框120，对所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描；

在一些实施例中，对所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描，将ct图像转换为点云，通过阈值分隔裂隙并将其三维可视化。

在一些实施例中，对小尺度裂隙进行分析，需要借助电镜进行扫描。在本实施例中，对x射线计算机断层扫描与电镜扫描结果进行融合。

在一些实施例中，分别对中空圆柱试样与充填体进行电镜扫描；将电镜扫描图像与ct灰度图像进行配准；对实现配准之后的ct灰度图像与电镜扫描图像进行图像分割，构建裂隙三维重建模型。其中，根据qemscan扫描电镜矿物定量评价图像，对sem二维背散射图像进行图像分割，例如，按照常规阈值分割方法进行图像分割；例如，按照常规的二值分割、分水岭分割算法进行精确的图像分割；根据所述图像分割结果将ct灰度图像分割为孔隙及各种岩石矿物。

在一些实施例中，由于进行电镜扫描图像的区域较小，因此，利用尺度关联分割算法，即结合图像配准结果，利用ct灰度图像的分割结果，建立ct灰度图像的图像灰度值与岩石组分比例的关系曲线，进而完成较大区域内的ct灰度图像的分割。

完成ct灰度图像的分割后，即可建立所述岩石与充填体耦合试样的裂隙三维重建模型。

在框130，对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩，并通过声发射监测；

在一些实施例中，对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩包括：将所述岩石与充填体耦合试样固定于引伸计中，然后将引伸计与试验机连接，试验围压可选为6mp，在试样未达到破坏峰值的过程中采用负荷控制，移动速度设定为500n/s；而当试样接近峰值时，则采用变形控制，移动速度设定为0.012mm/min。当试样失效，进入残余强度阶段，即峰值后应力随应变的增加而保持基本不变，停止试验。在一些实施例中，在三轴压缩全程采用变形控制。

在一些实施例中，在整个试验过程中采用声发射测试设备进行声发射监测，例如，采用美国pac公司的pci-2声发射仪，传感器选用两个谐振频流为550khz的pico型传感器，分别粘贴于试样两端靠近中心位置。监测过程中采集得到压缩全程的微裂纹破坏ae能量（absoluteenergy，绝对能量）、振铃计数（countsrate）、上升时间rt（risetime）、平均频率等特征参数。

在一些实施例中，通过所采集的上述特征参数分析对所采集的声信号进行处理，例如，收集的ae参数包括峰幅度，持续时间，频率，计数和ae能量。根据ae结果，可以计算出两个关键参数，即平均频率（af，averagefrequency）和上升角（ra，risetime/amplitude）以及ae能量。对于给定的ae事件，af（计数与持续时间的比值）是事件波形中的计数除以持续时间，ra（上升时间与幅值的比值）是上升时间除以幅度，用来表征声发射源的产生机制。ra值与平均频率（af，计数与持续时间的比值）一起来分析破裂模式。

在一些实施例中，可以通过绘制af与ra的关系图以区分拉伸（tension）裂纹和剪切（shear）裂纹，如附图图2所示；其中，a代表振幅，rt代表上升时间。其中，高ra值、低af值对应剪切破坏，低ra值、高af值对应拉伸破坏；即拉伸裂纹会产生高af，低ra事件，而剪切裂纹会产生低af，高ra事件。附图图2显示了与这两种裂隙类型有关的信号波形差异，其中。沿岩石/充填体接触面发生的裂纹是垂直的，虽然沿接触面产生剪切破坏也是可能发生，但在接触面产生的主要为拉伸破坏。与剪切裂纹的发展相关的微裂纹被认为是剪切和拉伸的结合，而宏观剪切事件中主要包含的仍旧是剪切微裂纹破坏。

在一些实施例中，生成不同破坏模式下的ae能量随时间变化和轴向应力随时间变化的叠加曲线，对监测到的微裂纹进行破坏模式的识别与分类。

如附图图3所示，在岩体包裹充填体试样三轴压缩过程中，大的剪切破坏突然出现在第一应变软化区域，表明完全形成了一个大的剪切裂纹。峰后第二个应变硬化区域以三角形标记的拉伸破坏为主，与第一个应变硬化区域中不同的是发生的破坏主要为拉伸破坏，且持续的时间较长。第一、二个应变软化区域均以圆形标记的剪切破坏为主。基于这些结果，可以推测第二应变硬化区域是岩石/充填体接触面逐渐破裂（以拉伸为主）的位置，第二应变软化区域是第二大剪切裂纹的发生位置。

在框140，对失效后的所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描；

在一些实施例中，对失效后的所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描，将ct图像转换为点云，通过阈值分隔裂隙并将其三维可视化。

对失效后的所述岩石与充填体耦合试样进行x射线计算机断层扫描的具体步骤与框120类似，在此不再赘述。

在框150，根据对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩前后进行x射线计算机断层扫描结果建立裂隙三维重建模型，结合声发射监测所采集到的数据对三轴压缩过程中各时刻的破坏模式进行精准定位。

在一些实施例中，根据对所述岩石与充填体耦合试样进行三轴压缩前后进行x射线计算机断层扫描结果建立裂隙三维重建模型，通过对所述裂隙三维重建模型的数据进行转换分析得到微裂纹的位置及类型；其次，结合声发射监测所采集到的数据对三轴压缩过程中各时刻的破坏模式进行精准定位。

在一些实施例中，通过分析得出微裂纹的类型，区分拉伸与剪切破坏，由此得出破坏过程中的破裂模式演化（即什么时候产生何种破坏）。

附图图4显示了根据裂隙三维重建模型点云结果得到的在三轴压缩试验期间岩石包裹充填体试样中出现的所有裂隙。根据裂隙的形状和方向，将裂隙分割为四种不同类别的裂隙。

如图4（a）所示，为x射线计算机断层扫描中识别出的主要裂隙。

如图4（b）所示，最大和最广泛的裂隙称为剪切破坏i，它以大约60-65度的角度从顶部到底部贯穿整个外层岩石，碰到样品底部的边界。该断裂的扩展是三轴试验期间最大的断裂事件，并且与第一大应力下降和第一应变软化阶段（图3中的第一次峰值破坏）相关。

如图4（c）所示，下一个较大的压裂事件称为拉伸破坏i，是指沿岩石/充填体接触面发生的开裂，如图4c所示。由于接触面的方向平行于最大主施加应力（垂直），因此我们将其称为拉伸断裂，但是由于局部应力集中，也可能发生沿该接触面的剪切滑动。如ae结果所示，该断裂在第二应变硬化阶段（图3中的第二次峰前）逐渐发展。

如图4（d）所示，第三次大压裂事件，是与第二个应变软化阶段（图3中的第二个峰值破坏）相对应的另一组大的剪切裂隙，被称为剪切破坏ii。该剪切裂隙补充了剪切裂隙i，它们一起穿过试样的岩石部分形成了x形裂隙。

如图4（e）所示，最终的大压裂事件称为拉伸破坏ii，发生在加载的最后阶段。在这一点上，岩石大部分与充填体物分离，这些拉伸裂隙在垂直方向和径向方向上延伸，并从剪切裂隙向样品的外部传播，与岩石/充填体接触面没有明显的联系。

在一些实施例中，根据对所述裂隙三维重建模型的数据进行转换分析得到微裂纹的位置及类型，结合声发射监测所采集到的数据对三轴压缩过程中各时刻的破坏模式进行精准定位。通过将三种主要的实验类型（非线性应力-应变曲线，ae事件，破坏前后的3d点云）结果结合在一起，进一步解释充填体在三轴载荷下的断裂演化。可以将附图图3中的应力应变曲线解读为附图图5所示的七个阶段，第一个阶段称为oa，第二阶段称为ab，第三阶段称为bc，等等。

1）压实阶段（oa）：这是三轴载荷的开始，其特征在于极低的ae能量和向上凹的应力应变曲线。这是由于岩石和充填体中先前存在的细微裂隙和孔隙逐渐关闭的结果。在此阶段，沿岩石/充填体接触面的小间距（由于粘结不完全）也可能会闭合或变形。

2）弹性阶段（ab）：该阶段主要表现为线性应力-应变行为，但由于ae事件在相对较低的应力下发生且数量增加，因此该阶段过渡到下一个应变硬化阶段的时间相对较短阶段。整体变形主要由岩石决定，由于岩体比充填体要坚硬得多，并且岩石/充填体组合样本的有效杨氏模量（23.94gpa）显着小于仅岩石样本的有效杨氏模量（经计算为50.13gpa）。

3）应变硬化阶段（bc）：此阶段的应力-应变曲线是向下弯曲的，这是由于ae事件迅速增加所表明的微裂纹数量增加所产生的附加应变。这可能是由于空心圆柱体的充填体内径较弱所致，从而使剪切裂纹的形成开始得更快。在岩石或岩石/充填体接触面中都发生了微裂纹，点云表明在充填体中没有可检测到的开裂。

4）第一次重大破坏阶段（cd）：由于发生重大破裂，应力在该阶段显着下降。ae事件表明这是一个剪切裂隙，点云显示了可能的剪切裂隙，如图4b所示。由于裂隙没有穿透充填体而是在接触面处终止，因此整个样品保留了约45mpa的显着残余强度。

5）第二应变硬化阶段（de）：在该阶段继续加载会恢复一定的强度。向下凸的应力-应变曲线和ae事件表明，这是第二个应变硬化阶段，具有明显的拉伸裂纹扩展。如图4c所示，这很可能是沿岩石/充填体接触面的明显开裂和脱胶的发展，这很可能是由于与第一次剪切断裂有关的应力集中而传播的。

6）第二次大压裂阶段（ef）：第二次大剪切事件发生在该阶段，如ae事件所示。如图4d所示，在这里发生了与cd阶段的第一个共轭的第二个大剪切断裂。同样，这种剪切断裂不会穿透充填体物，而是在接触面处终止。如前所述，样品在该阶段结束时仍保持约35mpa的适度残余强度。

7）第三应变硬化阶段（f-）：在f点之后继续加载只会导致很小的强度恢复，而ae事件表明这与大量的拉伸裂纹增长有关。在此阶段可能发生的拉伸裂纹是图4e所示的径向裂纹。需要注意的重要一点是，岩石在这一点上大多与充填体物脱粘，而这些径向裂隙仅发生在分层的岩石空心圆柱体中。

根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：

由于三轴压缩实验中的声发射监测大多是在缸外进行监测，信号薄弱，受干扰因素过多，微裂纹定位并不准确，如何精准定位微裂纹一直是难点。本方法旨在通过三轴压缩缸外声发射监测得到的破坏信号结合ct可视化微裂纹信息的提取方法，得到压缩过程中的破坏模式及裂纹的扩展方向。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。

以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。