一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法技术

本发明专利技术提供了一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，试验采用单轴试验机对“Y”字型交叉组合结构面试样加载。实验前，试样表面喷涂散斑标识点，扫描获得两个结构面的点云数据并计算它们的JRC值。加载过程中，监测“Y”字型交叉组合结构面试样的表面位移场及声发射信号，获得其失稳破坏的变形及声发射前兆特征；试样加载至破坏，获得其峰值法向应力，依此计算两结构面的剪切应力分量，并将其与结构面抗剪强度比较分析。在不同结构面JRC、夹角及加载方式下重复进行多组试验，考察岩石试样破坏前的结构面抗剪强度、位移场及声发射信号变化规律，从而建立岩石楔形体失稳破坏的综合判据，为岩石工程中的岩爆灾害预警提供参考。

An experimental method to study the instability and failure of rock wedge under high stress

【技术实现步骤摘要】
一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法
：本专利技术属于岩石力学
，具体涉及一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。
技术介绍
：随着浅部能源、资源的日益匮乏，深部开采已成为世界矿业发展的必然趋势。而在深部开采条件下，岩爆灾害问题凸显。岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，表现形式为围岩在高应力挤压作用下向巷(隧)道内突然弹出，对人员及设备安全构成巨大威胁。现有技术中岩石楔形体在高应力挤压下发生岩爆的示意图如图1所示。岩爆灾害的重复性不强，实验室内采用物理实验研究岩爆，具有危害可控、数据全程纪录、重复可验证等显著优势，对于认识岩爆具有重要意义。但在岩爆的物理实验方面，国内外学者对岩石结构面的诱导作用关注不足，而各种尺度的结构面是深部岩体工程的软弱部位，是高应力下岩体释放能量的绝佳突破口。目前关于结构面诱发岩爆的试验模型很少，且主要针对平行成组结构面的破坏机理展开研究，例如文献“深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及物理模拟试验研究(周辉等，岩石力学与工程学报，2015(S2):3658-3666.)”和专利“一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法(CN106323768B)”所采用的试验模型及方法。而实际上，巷(隧)道围岩中结构面之间的相互交叉、嵌入组合模式才是最为广泛的结构面存在形式，而且，这些原生的交叉组合结构面将与开挖临空面共同组成楔形体岩块，(图1)，最易诱发岩爆。这些楔形岩体在钻爆法或盾构法施工后，有些不会随着开挖的完成而立即剥落，而是处于临界平衡状态。当巷道成型后，随着深部高应力的挤压作用，巷道环向应力持续升高、围岩不断向开挖临空面挤压，极易导致这些处于临界平衡状态下的楔形体突然发生挤压弹射，即岩爆。由于交叉组合结构面诱导发生的岩爆会形成“V”型爆坑，这一现象在相关文献中多有报道。通常采用的单结构面或平行结构面岩石试样的压缩或直剪试验方案不能模拟该类岩爆的发生条件，无法有针对性地研究不同应力状态下交叉组合结构面之间的相互作用，可能造成对实际岩爆发生条件的误解，误判岩爆发生的危险等级。本专利技术提供的“Y”字型交叉组合结构面岩石试样的单轴压缩实验方案，在岩石试样达到峰值强度之前，其位移场及声发射信号变化明显，在实验室条件下可以准确地预警岩石楔形体失稳破坏及弹射现象，且操作简单、实用性强，真正为岩石工程的支护设计及岩爆灾害的预测预警提供指导。
技术实现思路
：本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供了更加符合工程实际的研究高应力挤压作用下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。该试验方法可以模拟在高应力状态下，交叉组合结构面诱发楔形体岩石的突然失稳弹射，并通过声发射信号及位移监测进行楔形体弹射预警，为实验室中研究结构面诱发岩爆提供新的方法和思路，并最终服务于岩石工程中的岩爆预警。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本(或选取与之力学性能相近的岩石)，并切割制作矩形岩石试样；步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上估算主结构面和次生结构面的粗糙度值(JRC1和JRC2)；步骤四：将“Y”字型结构面岩石试样拼接在一起，使三部分紧密扣合，然后，在组合试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场的标识点，以便在加载过程中实现位移监测预警；步骤五：将“Y”字型结构面岩石组合试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头，声发射探头安装位置尽量避开楔形体弹射区域，避免损坏；步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，直至岩石试样破坏，加载过程中记录试样破坏时峰值法向应力σc；步骤七：根据峰值法向应力σc分别计算求得两个结构面处的法向应力分量σn及剪切应力分量τ，包括主结构面法向应力分量主结构面剪切应力分量τ1；次生结构面法向应力分量次生结构面剪切应力分量τ2；并在试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，主要包括加载时间、加载速率、加载力(应力)、散斑位移场、声发射信号；步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，分别考察不同结构面粗糙度、结构面夹角及加载方式下岩石破坏的前兆特征，并将结构面的估算峰值剪切强度τ′(τ′1和τ′2)与组合岩石试样破坏时的剪切应力分量(τ1和τ2)进行对比分析，得到交叉组合结构面岩石试样发生不同失稳破坏模式的应力条件；基于结构面剪切强度值估算、位移场变化，及声发射前兆信号规律判读等多个角度建立岩石楔形体失稳破坏的综合预警指标，为深部岩石工程中的岩爆灾害预警提供参考。所述步骤二中，两个结构面与水平面夹角(θ1与θ2)范围均为5°～60°，一方面保证其具有水平方向的应力分量，另一方面确保劈裂后的岩石试样在拼接放置后不自动滑移；岩石试样的尺寸为高150～200mm(高度主要取决于结构面的角度，结构面角度小，则试样的高度可以适当降低)，长100mm，宽50mm；两条结构面的交叉点位置距离楔形体破坏弹出侧面40mm(图2模型右侧面)，两条结构面的边缘距离模型的上下表面不低于30mm，以避免端部效应。所述步骤六中，破坏包括沿主结构面滑移失稳、楔形体弹出、或整体碎裂失稳破坏；所述步骤六中，单轴加载即在竖直方向采用恒定速率、恒定应力梯度或恒定功率模式进行加载。所述步骤七中，声发射信号包括撞击率、能量率、b值等。所述步骤七中，当组合岩石试样加载至破坏，根据其峰值法向应力σc分别计算求得两个结构面处的法向及剪切应力分量，并将其与两个结构面的估算峰值剪切强度进行对比分析，获得起主控作用的结构面，并研究结构面的峰值剪切强度与组合试样峰值法向应力之间的关系。所述步骤七中，组合试样破坏时的峰值法向应力值σc，此时计算主结构面的法向应力分量与切向应力分量(和τ1)，次生结构面的法向应力分量与切向应力分量(和τ2)。法向应力分量(和)与切向应力分量(τ1和τ2)分别采用如下两个公式计算：两式中：θ为两个结构面与水平面的夹角(θ1与θ2)；σc为组合试样破坏时的峰值法向应力值；所述步骤七中，两个结构面的峰值剪切强度采用下述公式计算：式中：τ′为结构面的估算峰值剪切强度，主结构面估算值记为τ′1，次结构面估算值记为τ′2；σn为两个结构面上的法向应力分量，此处为和由公式2求得；JRC为步骤三中估算得到的主结构面与次结构面的粗糙度值，JRC1和JRC2；JCS为结构面壁面强度，对于新鲜结构面等同于岩石单轴抗压强度；为岩石的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本，并切割制作矩形岩石试样；/n步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；/n步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上估算主结构面和次生结构面的粗糙度值JRC

【技术特征摘要】
1.一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本，并切割制作矩形岩石试样；
步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；
步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上估算主结构面和次生结构面的粗糙度值JRC1和JRC2；
步骤四：将“Y”字型结构面岩石试样拼接在一起，使三部分紧密扣合，然后，在组合试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场的标识点，以便在加载过程中实现位移监测预警；
步骤五：将“Y”字型结构面岩石组合试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头；
步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，直至岩石试样破坏，记录试样破坏时峰值法向应力σc；
步骤七：根据峰值法向应力σc分别计算求得两个结构面处的法向应力分量σn及剪切应力分量τ，包括主结构面法向应力分量主结构面剪切应力分量τ1；次生结构面法向应力分量次生结构面剪切应力分量τ2；并在试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，包括加载时间、加载速率、加载力、散斑位移场、声发射信号；
步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，分别考察不同结构面粗糙度、结构面夹角及加载方式下岩石破坏的前兆特征，并将结构面的估算峰值剪切强度τ′1和τ′2与组合岩石试样破坏时的剪切应力分量τ1和τ2进行对比分析，得到交叉组合结构面岩石试样发生不同失稳破坏模式的应力条件；通过位移场变化，及声发射前兆信号判断研究特定岩石楔形体失稳破坏的综合预警指标。


2.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤二中，两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘溪鸽，朱万成，张鹏海，刘洪磊，关凯，李澜堃，代风，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21