在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法及其应用技术

本发明专利技术涉及在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法及其应用，所述天然岩石材料为各向异性完全解理的岩石材料。对天然岩石材料进行打磨抛光处理形成平行于天然解理面的平整抛光面；在平行于抛光面的平面内设计一层点阵，记录点阵三向坐标；之后激光垂直于抛光面经聚焦镜入射进入天然岩石材料内部，按照设计点阵的坐标点位置对点阵中的所有点依次聚焦形成破坏点；对同一层点阵反复聚焦，直至点阵所在的天然解理面断开形成符合尺寸要求的所述内裂隙。该方法可在不损伤天然真实岩石材料表面的情况下制作内裂隙。的情况下制作内裂隙。的情况下制作内裂隙。

【技术实现步骤摘要】
在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法及其应用


[0001]本专利技术属于岩石工程破坏预测与安全
，具体涉及在各向异性完全解理天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法及其应用。

技术介绍

[0002]岩石裂隙扩展断裂是造成地下隧洞、岩石边坡滑坡的原因，同时也是产生地震的主要原因，因此，研究岩石裂隙断裂行为具有十分重要的价值，大量科学家研究岩石裂隙扩展断裂。
[0003]但是，这个领域有一个国内外至今没有突破的“卡脖子”难题：按照常识来讲，在不破坏岩石的前提下，在内部切割岩石是不可能的。也就是说，至今为止，还没有科学家在天然真实岩石内部制作出可控内裂隙。所以，至今为止，世界的科学家全部用人工模拟材料代替真实岩石材料开展研究，如树脂、玻璃、有机玻璃、石膏水泥混合物等。但是，人工材料始终不是真实的天然岩石，用人工模拟材料去代替真实天然岩石开展断裂研究，其结论始终存在差距。
[0004]申请人在前期研究，包括中国专利CN107328625A等中在玻璃材料上实现了具备封闭紧贴裂隙环的三维裂隙，但显然玻璃仍然为人工模拟岩石材料。同时，玻璃、人工水晶是各向同性、无解理材料，与各向异性完全解理的天然岩石材料（如冰洲石）完全不同，玻璃为非晶体（玻璃体），是各向同性、均质、无解理材料，而冰洲石为晶体，是各向异性、非均质（含杂质）、完全解理材料，属于不同的固体分类，且两者光学性质不同，对激光入射折射效果有巨大影响，玻璃在不受力时为非应力双折射材料，激光入射后认为一束光线。而冰洲石为天然双折射材料，激光入射后，会变成两束激光。因此利用激光在玻璃中制备封闭裂隙的方法无法直接应用至各向异性完全解理的天然岩石材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法，所述天然岩石材料为各向异性完全解理的岩石材料；所述方法包括：S1.对天然岩石材料进行打磨抛光处理，形成一个平行于天然解理面的平整抛光面；S2.在天然解理面的平面内设计一层点阵，记录点阵三向坐标；S3.激光垂直于抛光面经聚焦镜入射进入天然岩石材料内部，聚焦于点阵中某一点的坐标；聚焦点能量超过天然岩体冰洲石破坏阈值后产生一破坏点；激光水平移动，按照设计点阵的坐标点位置依次聚焦；S4点阵所在的天然解理面断开形成所述内裂隙，内裂隙断裂区域大于点阵区域，或：
重复S3，直至点阵所在的天然解理面断开形成所述内裂隙；内裂隙的尺寸通过重复次数的多少控制。
[0007]本专利技术所指的内裂隙，是完全位于岩石材料内部，与岩石材料表面没有交集的裂隙，本专利技术的方法在天然岩石材料中制备内裂隙，形成的内裂隙同时穿透了点阵区和点阵以外区域，内裂隙属于同一性质，都为天然解理面裂开形成，性质完整而统一；同时，内裂隙是冰洲石原生解理面裂开所致，不会在该解理面以外的平面上出现裂隙，而CN107328625A中的成品中破坏点与裂隙环有无法避免的弯曲角度，会在破坏点所在平面以外出现裂隙。
[0008]本专利技术在天然岩石材料（冰洲石）中制作内裂隙，激光点阵只能一层，如果激光聚焦多层点阵会造成多层裂隙和杂乱裂隙；且点阵必须平行于天然解理面，否则会出现无规则杂乱裂隙。
[0009]在制备内裂隙时，根据脉冲激光电压的变化，可以一次成型（天然解理面经一次S3处理即断开，获得内裂隙，但通常需要重复S3以达到需要的尺寸），或需要重复若干次S3，才能获取需要的内裂隙。例如在9.5V下，可以一次成型，8.3V下，则需要重复三次以上来获取内裂隙。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述点阵为圆形，直径≥3mm，且点阵完全处于同一解理面内。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述点阵中点与点之间水平距离为0.06
‑
0.15mm。水平距离小于0.06mm时，会出现拉丝和不可控的多方向复合裂隙。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，脉冲激光的电压为8.3V~9.5V；优选9.5V。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述S3中，裂隙制作时将天然岩石材料放入冰水混合物中，抛光面露出水面。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，还包括偏振镜；所述偏振镜设置于聚焦镜与岩石材料之间，紧贴聚焦镜。激光经聚焦镜、偏振镜后入射天然岩体材料，可提升成品率。进一步的，偏振镜、入射激光、冰洲石放置角度严格满足：偏振镜光栅方向与激光偏振方向相同，岩石材料与偏振镜夹角，需满足透过偏振镜看不到冰洲石的双折射现象。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述激光透镜焦距小于等于15cm。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述天然岩石材料为高纯净度和透明度的冰洲石。
[0017]进一步的，还包括，在裂隙制作完毕后，利用偏振镜观测裂隙扩展路径。冰洲石为双折射材料，肉眼观测会出现重影。
[0018]本专利技术的另一目的在于提供上述方法在切割天然岩石材料薄片中的应用。
[0019]应用本专利技术的方法进行天然岩石材料薄片切割时，设计点阵，将激光聚焦到冰洲石内部解理层的点阵，所述解理层距离表面的深度视要制作的薄片厚度定，需大于片厚度。然后用激光反复扫描聚焦，让裂隙一直扩展，直到扩展到表面完全断裂开成薄片。
[0020]本专利技术的又一目的在于提供上述方法在天然岩石材料中制作表面裂隙和贯穿裂隙中的应用。
[0021]本专利技术的方法不仅可制作内裂隙，也可制作天然岩石大深度闭合表面裂隙或闭合穿透型裂隙。在天然岩石中制作大深度或大面积的闭合表面裂隙，也是国内外的“瓶颈”。裂隙根据两个面是否接触，分为闭合型裂隙和张开型裂隙。闭合裂隙是裂隙的两个面互相接触，张开裂隙是裂隙的两个面不接触。传统上，岩石裂隙都是物理切割，肯定造成裂隙的上
下表面不接触，一般只能做出张开型裂隙。深度大面积大的闭合裂隙更难做。也就造成了科学家难以去研究岩石闭合裂隙。
[0022]至今为止，国际上尚无实现天然真实岩石内切割的方法，全部都是采用人工模拟材料（称之为“类岩石”）去研究天然岩石内裂隙，本专利技术突破了这一瓶颈，填补了国内外空白，属于“从0到1”的开拓性专利技术创造，实现了从人工模拟材料内裂隙制作到天然真实岩石内裂隙制作的突破。为所有该领域的科学家提供了直接开展真实岩石材料内裂隙断裂研究的机会。
[0023]采用本专利技术方法在天然岩石材料中制作内裂隙，不损伤表面，形成的裂隙同时穿透了点阵区和点阵以外区域，且裂隙都为天然解理面裂开形成，性质完整而统一，并且不损伤表面。裂隙制作时不会受残余应力的影响，出现次生裂隙等问题，且冰洲石只能沿着天然解理裂开，因此裂隙方向不能靠激光控制，同时内裂隙不会上翘脱离解理面，形成的裂隙环上有彩虹状条纹，肉眼无法观测到疲劳贝纹线。而CN107328625A针对玻璃材料制作出来的内裂隙是由点阵破坏区和扩展环组成的组合结构，不属于性质完整而统一，另外，玻璃内裂隙做出之后，如果扩展至表面，内裂隙的激光点阵与扩展环边缘会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在天然真实岩石材料中制作内裂隙的方法，其特征在于，所述天然岩石材料为各向异性完全解理的岩石材料；所述方法包括：S1.对天然岩石材料进行打磨抛光处理，形成一个平行于天然解理面的平整抛光面；S2.在平行于天然解理面的平面内设计一层点阵，记录点阵三向坐标；S3.激光垂直于抛光面经聚焦镜入射进入天然岩石材料内部，聚焦于点阵中某一点的坐标，聚焦点能量超过天然岩体冰洲石破坏阈值后产生一破坏点；激光水平移动，按照设计点阵的坐标点位置依次聚焦；S4. 点阵所在的天然解理面断开形成所述内裂隙，内裂隙断裂区域大于点阵区域，或：重复S3，直至点阵所在的天然解理面断开形成所述内裂隙；内裂隙的尺寸通过重复次数的多少控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点阵为圆形，直径≥3mm，且点阵完全处于同一解理面内。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述点阵中点与点的水平距离为0.06
‑
0.15mm。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海军，汤雷，陶冉冉，马林，贾海磊，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：