采掘扰动下深部岩体破裂机理的试验方法与流程

本发明涉及深部岩体破裂机理试验分析，具体为采掘扰动下深部岩体破裂机理的试验方法。

背景技术：

1、深部岩体，既作为人类活动采掘的对象，又作为保护安全开采支护的对象，其内部承载状态直接决定了深部工程的稳定性。受采掘扰动影响，深部岩体内包含许多节理、裂隙等弱面，部分岩体受应力集中影响处于应力分布不均的工况，这种状态下不满足岩体的均匀性假说，进一步增加了采掘扰动下深部岩体损伤监测的难度。此外，深部岩体的破坏失稳通常源于其应力集中的局部破坏引起的渐进式坍塌，不利于深部岩体工程的危险性预警。因此，考虑岩体的非均质性，掌握采掘扰动下深部岩体破裂的震源机制及损伤演化四维成像，并及时采取解危措施，对深部岩体工程的稳定性具有重要意义，深部岩体的破裂模式和损伤演化对采场的稳定性至关重要，受岩体非均质性、不透明性的影响，难以在工程现场实现采掘扰动下岩体内部损伤可视化；实时掌握采场岩体受采掘扰动影响的损伤演化，对深部岩体的灾害防控至关重要。

2、明确采掘扰动下深部岩体的破裂机理，是岩体损伤演化四维成像和失稳预警的基础；目前，深部岩体的破裂机理大多是基于数值模拟、理论分析和室内实验等，无法适应深部复杂多变的赋存环境，虽然目前存在采用i nsar、光学等方法进行损伤监测，但都是基于岩体表面来推断其内部的破裂机理，对于荷载扰动下深部岩体的破裂机理研究，鲜有从岩柱内部出发去研究岩体的破裂机理和破裂模式；

3、另外深部岩体损伤演化的四维成像，是采掘扰动下深部岩体失稳预警的前提；深部岩体介质和赋存环境的特殊性，使得岩体内的损伤无法直观监测，且岩体的各向异性和非均质性增加了破裂失稳理论分析的难度；目前，岩体损伤演化四维成像的研究，主要采用理论分析联合现场监测或者室内相似模型试验，其常用的方式是将岩体表面或其内部监测数据的图表化，时效性较低，难以实现采掘扰动下深部岩体损伤演化的四维成像与失稳预警。

4、为此，我们提出了采掘扰动下深部岩体破裂机理的试验方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了采掘扰动下深部岩体破裂机理的试验方法，用于解决上述提出的技术缺陷。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：采掘扰动下深部岩体破裂机理的试验方法，包括以下步骤：

3、步骤一、试样的获取和准备：采用原位取样法从深部岩体中获取岩样，保证岩样取自同一工程区域，岩性、矿物成分大体一致，制备30个立方体试样(100mm×100mm×100mm)和120个圆柱体岩石标准圆柱体试样(φ50mm×h100mm)，进行岩石力学试验；

4、步骤二、岩石基本物理力学性质参数的确定：测量深部岩样的纵波波速，同时对所取岩样开展xrd试验确定岩样的矿物成分；开展不同围压下的三轴加载试验确定深部岩体的粘聚力和内摩擦角，确定岩体的抗剪强度、抗压强度以及动态抗压强度和动态抗拉强度等基本力学性质参数；

5、步骤三、基于高速摄像的深部岩样单轴加载试验：对深部岩样开展单轴加载试验，同时采用高速摄像捕捉岩样单轴加载的过程，获取岩样表面的破裂过程，并采用数字图像处理技术，获取随荷载增加而不断演化的应变场及其对应力水平的敏感度；

6、步骤四、基于声发射监测深部岩样单轴加载试验：对深部岩样开展单轴加载试验，同时采用声发射监测单轴加载的过程，获取岩石加载过程中的应力-应变曲线、强度特性、波速特征以及应力-声发射四参量图，同时获得荷载作用下深部岩样内的声发射事件震源定位结果以及声发射原始波形；

7、步骤五、单轴荷载作用下深部岩体破裂的震源机制与破裂模式：根据监测的单轴荷载作用下深部岩样的声发射波形文件，对荷载作用下岩样的声发射事件进行波形初至校正和声发射事件重定位，获取荷载作用下深部岩体的震源机制解，确定不同受载阶段岩体的破裂机理和破裂模式；

8、步骤六、采掘扰动下深部岩体损伤演化的四维成像：对重定位后的声发射波形数据进行处理，得到荷载作用下深部岩体的地震目录，改进双差层析成像技术得到适用于小尺度岩体的时移层析成像算法，确定随着荷载增加层理岩柱内三维损伤演化，同时沿主裂隙面进行层析成像，获得荷载作用下深部岩体沿主裂隙面滑移的过程及损伤演化，探究深部岩体自受载扰动直至破坏失稳全过程的四维成像，掌握深部岩体破坏失稳的孕育机理；

9、步骤七、构建采掘扰动下深部岩体破坏失稳的预警体系：根据单轴荷载作用下深埋岩样的力学特征、应变场演化、破裂的震源机制、内部损伤的四维成像及其破坏失稳的孕育机理，结合地质力学参数和岩体基本物理力学性质参数等，探究采掘扰动下深部岩体破坏失稳的指标和权重，构建深部岩体破坏失稳的预警体系。

10、优选的，步骤二中，通过获取不同围压下岩样破坏时的最大主应力，根据莫尔-库仑强度准则，依据公式：nm＝arctan[(σ1-σ2)/(σ1+σ2)]计算出岩样在不同围压下岩样破坏时最大主应力对应的内摩擦角，其中σ1表示不同围压，σ2表示最大主应力，依据公式nj＝(σ1-σ2)/2-(σ1+σ2)/2×s i nnm计算出岩样在不同围压下岩样破坏时最大主应力对应的粘聚力；

11、通过获取单轴压缩试验中岩样破坏时的最大轴向荷载，记为p，同时获取岩样的横截面积，记为a，依据公式ky＝p/a计算出岩样的抗压强度；

12、通过获取岩样在动态加载试验中应变率记为ε，依据公式kyd＝a×εb计算得到岩样的动态抗压强度，其中a和b为通过试验数据拟合得到的系数；

13、通过获取动态劈裂试验中岩样破坏时的荷载，记为p，同时获取圆盘状岩样的直径和厚度，分别记为d和h，依据公式kld＝2p/(πdh)计算出岩样的动态抗拉强度。

14、优选的，通过获取岩样对应各测试时段的内摩擦角、粘聚力以及抗压强度，得到岩样对应各测试时段的内摩擦角、粘聚力以及抗压强度，分别记为nmi、nji和kyi，i表示各测试时段的编号；

15、同时获取岩样的初始内摩擦角、初始粘聚力以及初始抗压强度，得到岩样的初始内摩擦角、初始粘聚力以及初始抗压强度，分别记为nm0、nj0和ky0；

16、依据公式：

17、

18、计算出岩样对应各测试时段的综合质量评估系数c，w1、w2和w3分别表示内摩擦角、粘聚力以及抗压强度对应的权重因子，且w1+w2+w3＝1，具体表现为：w1＝0.35，w2＝0.45，w3＝0.2；

19、获取岩样对应初始测试时段的综合质量评估系数，记为c1，经过一段时间t后再次获取岩样对应测试时段的综合质量评估系数，记为c2，将一段时间t后的岩样对应测试时段的综合质量评估系数和岩样对应初始测试时段的综合质量评估系数进行对比，若c2小于c1，则表示岩样的整体力学性能下降，对岩样对应各测试时段的综合质量评估系数绘制成折线图进行显示，根据岩样对应各测试时段的综合质量评估系数的折线图对各测试时段的岩样整体力学性能下降幅度进行直观表示，若综合质量评估系数在短时间内连续下降幅度超过12％，说明岩样风化和劣化的进程加快，若综合质量评估系数下降幅度低于8％，则说明岩样风化和劣化的进程相对较缓。

20、优选的，根据受载深部岩体的声发射信号特征和高速摄像技术，构建荷载作用下岩体破裂的时空演化，探究不同应力水平下岩体内的震源机制解，掌握不同应力水平下岩体的破裂模式、破裂机理和应变场演化。

21、优选的，通过选择目标深部岩体原位取样，在室内开展基于高速摄像和声发射监测的深部岩样单轴加载试验，研究采掘扰动下深部岩体的应变场演化及破坏失稳特征，探究深部岩体的力学特征和表面应变场演化与应力水平的量化关系，分析荷载作用下深部岩样的震源机制，掌握不同扰动程度下深部岩体的破裂模式和震源机制解，构建深部岩体的失稳规律、破裂模式、震源机制解、应变场演化与应力水平之间的关系，掌握采掘扰动下深部岩体破裂的模式和震源机制解，为深部岩体损伤演化的四维成像和失稳预警奠定基础。

22、优选的，通过获得不同应力水平扰动下深部岩体内损伤的四维成像，获取荷载扰动下深部岩体破坏失稳的机理。

23、优选的，基于声发射监测的荷载作用下深部岩样的破裂过程，采用三重差定位岩柱内的破裂点，掌握受载岩体内破裂的时空演化和声发射能量大小。改进双差层析成像发展时移成像的四维成像技术，将不同承载阶段岩体的损伤三维可视化，探究深部岩体内损伤演化和失稳机制，并将荷载作用下岩体破裂沿主裂隙的滑移过程可视化。

24、优选的，通过构建以应变场、深部岩体内部损伤演化的四维成像、深部岩体破裂的震源机制解等多手段协同的破坏失稳预警体系。

25、优选的，基于深部岩体的实际工况，结合岩体地质力学参数、力学特征、应变场演化和受载过程损伤的四维成像等，分析采掘扰动下深部岩体破坏失稳的机理。量化深部岩体受载扰动表面应变场演化和内部损伤四维成像与应力水平的关系，将荷载扰动下深部岩体的破坏失稳过程可视化，同时，基于深部岩体受载的力学机理、损伤演化和破裂的震源机制解，掌握岩体破裂失稳前的前兆特征，构建采掘扰动下深部岩体破坏失稳的预警判据。

26、优选的，基于波形互相关的荷载作用下四维成像，通过研究单轴荷载作用下层理岩样的声发射事件震源位置，并以时间为一个维度连续地在三维空间内进行近实时成像，掌握随时间推移层理岩柱内的破裂特征和损伤的时空演化。

27、与现有技术相比具备以下有益效果：

28、1、本发明中通过采用理论分析、室内试验、算法开发等研究方法，分别从受载岩体的表面位移场演化和内部损伤四维成像开展研究，探究采掘扰动下深部岩体破坏失稳的孕育过程及其可视化，并结合表面位移场演化、岩体破裂的震源机制解、内部损伤四维成像等，构建采掘扰动下深部岩体破坏失稳的预警体系。因此，本发明采用多手段、多因素相结合的方法，研究采掘扰动下深部岩体破裂的震源机制与损伤演化四维成像，为深部复杂赋存条件下岩体的稳定性监测与解危提供理论与技术借鉴，构建以应变场、岩体内部损伤四维成像、岩体破裂的震源机制解等多手段协同的破坏失稳预警体系，掌握采掘扰动下深部岩体内部损伤可视化和破裂的震源机制明确化，为深部岩体的破坏失稳提供预警参考。

29、2、本发明中通过对岩样对应各测试时段的内摩擦角、粘聚力以及抗压强度进行实时监测获取，同时获取岩样的初始内摩擦角、初始粘聚力以及初始抗压强度，得到岩样的初始内摩擦角、初始粘聚力以及初始抗压强度，将各测试时段的监测数据和对应的初始监测数据进行综合计算，生成岩样对应各测试时段的综合质量评估系数，通过统计岩样对应各测试时段的综合质量评估系数和初始测试时段的综合质量评估系数的对比结果，从而能够直观表示岩样在各测试时段的风化和劣化进程，为岩体破裂机理的试验提供岩样整体力学性能的准确结果。

30、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解，本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。