一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法技术

本发明专利技术涉及的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，克服了广泛采用的Brune模型中不考虑新生裂纹消耗表面能导致小尺度裂纹(米级)量化结果过大的问题。在模拟计算岩石工程开挖过程中应力场空间分布的基础上，通过结合矩张量反演方法来确定破裂面的法向量，从而达到更合理地确定采动岩体中新生剪切裂纹尺度的目的。基于实际开挖过程，结合数值模拟再现采动岩体中应力场的动态演化过程及破裂面产生时对应的受力状态，并以此作为已知条件建立动态方程求解裂纹尺度，更加符合岩体破裂过程中裂纹生长的动态特点，可以为利用微震监测方法量化岩体损伤程度提供基础数据。

A quantitative method for measuring the scale of new shear cracks in mining rock mass

【技术实现步骤摘要】
一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法
本专利技术属于岩石力学理论与工程应用
，主要涉及岩石工程中岩体内新生裂纹几何参数确定
，具体涉及一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法。
技术介绍
我国经济的高速增长极大地刺激了资源、能源的开发，其中大部分涉及岩石工程，比如，煤炭开采、金属与非金属矿开采、修筑公路及铁路过程中的隧道开凿、兴修水利过程中的岩质边坡开挖等等。然而，由于中国大陆较为复杂的地质条件，岩石工程建设过程中冒顶、塌方以及突水等工程地质灾害事故频发，造成人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效等大量不良后果；加之巨大的工程建设量，我国目前已成为世界上遭受工程地质灾害较为严重的国家之一。因围岩失稳破坏诱发的工程地质灾害是安全事故产生的重要原因，而围岩的失稳破坏发生前必然存在一个因工程开挖引起岩体内部破裂面形成及演化的时空发展过程，对这一过程的分析与研究是预测与防控围岩失稳破坏发生的关键。岩体本身性质(非均匀、各向异性)及所处地质环境(地应力条件等)的复杂性决定了从理论上分析岩体的破坏过程是很困难的，必须结合现场监测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、确定岩石的物理力学参数/n依次利用量积法测量岩石的密度、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度；/n步骤2、根据微震监测数据确定破裂面的节平面法向量/n在工程现场安装微震监测系统、确定破裂面的空间位置、提取波形的初动振幅及矩张量反演、计算节平面的法向量；/n步骤3、结合数值模拟方法确定破裂面及其受力状态/n根据工程实际建立三维数值模型、求解开挖过程中岩体的应力场分布、确定破裂面及其受力...

【技术特征摘要】
1.一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定岩石的物理力学参数
依次利用量积法测量岩石的密度、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度；
步骤2、根据微震监测数据确定破裂面的节平面法向量
在工程现场安装微震监测系统、确定破裂面的空间位置、提取波形的初动振幅及矩张量反演、计算节平面的法向量；
步骤3、结合数值模拟方法确定破裂面及其受力状态
根据工程实际建立三维数值模型、求解开挖过程中岩体的应力场分布、确定破裂面及其受力状态；
步骤4、求解剪切裂纹的尺度
量化剪切裂纹形成及错动过程中驱动力做的功、摩擦耗能、表面能及动能、根据能量守恒定律求解剪切裂纹的尺度；
步骤5、建立剪切裂纹可视化模型
建立剪切裂纹尺度数据库、三维可视化剪切裂纹。


2.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤1中具体步骤包括：
步骤1.1、利用量积法测量岩石的密度
将从现场取样的岩块加工成Φ50×100mm的标准试样，用天平称其质量，然后用游标卡尺测量其尺寸并计算其体积，两者相除得到岩石的密度；
步骤1.2、通过单轴压缩实验确定岩石的单轴抗压强度弹性模量及泊松比
在试样表面粘贴应变片，通过压力机进行单轴压缩实验，单轴抗压强度岩石能承受的最大压应力，通过压力机的压力数据及应变片的应变数据可确定岩石的弹性模量E及泊松比ν：






式中，E为弹性模量，单位MPa；σ50为单轴抗压强度的50％，单位MPa；εr50为应为单轴抗压强度的50％时的轴向应变；ν为泊松比；εa50为单轴抗压强度的50％时的横向应变；
步骤1.3、通过三轴压缩实验确定岩石的内摩擦角
使用Φ50×100mm的标准试样，在不同的围压下进行三组三轴压缩实验，获得三组围压及对应的三轴压缩强度，基于这三组实验数据绘制莫尔圆并利用莫尔库伦准则拟合求解岩石的内摩擦角；
步骤1.4、通过直剪实验测定岩石的基本摩擦角
将从现场取样的岩块加工成25×100×100mm的岩板两块；对两岩板施加1个恒定的正应力和1个逐渐增加的剪应力，随着剪应力的增加，沿着平行于剪切力的方向发生位移，通过最大剪应力与正应力之比来计算岩石的基本摩擦角；
步骤1.5、利用剪切盒实验测定岩石的剪切断裂韧度
将从现场取样的岩块加工成50×50×50mm的正方体试样，并在试样的左右两侧面中部各切一贯穿性切口，将试样放入剪切盒中进行剪切实验，根据岩石破坏时对应的最大荷载p可通过下式计算岩石的剪切断裂韧度：



式中，KII为剪切断裂韧度，单位Mpa·m0.5；p为最大荷载，单位N；B为试样厚度，单位m；d为切口的长度为，单位m；W为试样宽度，单位m；α为切口的倾角，单位°；为岩石的内摩擦角，单位°；为试样的形状系数,





3.如权利要求1所述的一种采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法，其特征在于，所述步骤2中具体步骤包括：
步骤2.1、在工程现场安装微震监测系统
在岩体表面钻孔(孔深>2m，孔径>微震传感器直径+5cm)，将微震传感器安置在钻孔内，利用线缆连接传感器及采集仪，形成完整的微震监测系统；
步骤2.2、确定破裂面的空间位置
利用已安装的微震监测系统采集岩体破裂诱发的微震波，对微震传感器接收到的波形进行人工或自动波形到时拾取工作，基于波形到时利用单纯型或Geiger定位算法计算破裂面的三维空间坐标；
步骤2.3、提取波形的初动振幅及矩张量反演
在确定破裂面的空间位置的基础之上，选取所诱发微震波触发微震传感器数量超过6的破裂事件(6个以下无法进行矩张量反演)作为样本数据，将波形到时后第一个波包的最大值(幅值为正)或最小值(幅值为负)作为该波形的初动振幅。根据矩张量理论，微震波的初动振幅uk与矩张量Mij的关系可以用下式表示：



式中，uk为微震波的初动振幅，单位m；Mij为矩张量，单位N·m；Re(t,r)为微震传感器与岩石界面的反射系数，t为微震传感器的方向向量，r＝(r1r2r3)为自破裂面位置到微震传感器的方向向量，L为破裂面位置及微震传感器之间的距离，单位m；
初步求解矩张量Mij后，将矩张量Mij作为已知量再通过上式来反分析微震传感器接收到的理论初动振幅，利用理论初动振幅及实际观察到的初动振幅之比来检验微震传感器i在微震事件j的矩张量反演过程中的有效性，如果比值远大于或远小于1，则利用下式动态的修正微震传感器接收到的初动振幅：



式中，为修正后的初动振幅，单位m；为修正前的初动振幅，单位m；wi为权重系数，为微震传感器i对应的理论初动振幅及实...

【专利技术属性】
技术研发人员：解治宇，徐连生，张鹏海，孙健，姚强，
申请(专利权)人：鞍钢集团矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21