基于声发射振铃计数的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法技术

基于声发射振铃计数的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法，包括制作易泥化矿岩试件、分别进行单轴压缩条件下的声发射试验获取各矿岩试件的轴向位移、载荷和声发射参数数值、计算并分析矿岩试件单轴压缩下的初始压实应力及声发射参数演化特征、定义易泥化矿岩基于修正后的声发射振铃计数的损伤变量，构建易泥化矿岩初始压实阶段的损伤本构模型。本发明专利技术的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法能与易泥化矿岩内部结构特性相联系且损伤模型假设初始损伤不为0、能准确、实时监测易泥化矿岩的初始损伤程度，为矿山开采过程中量化易泥化矿岩内部初始损伤并监测其强度演化规律提供科学参考依据。依据。依据。

【技术实现步骤摘要】
基于声发射振铃计数的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法


[0001]本专利技术涉及矿山岩石初始损伤的量化分析方法，具体涉及一种基于声发射振铃计数的易 泥化矿岩初始损伤量化分析方法。

技术介绍

[0002]易泥化矿岩属于典型的多孔介质材料，其漫长的成岩过程中，由于高地压、高水压和高 地温等的作用，内部容易形成大小不一、形态多样的孔洞裂隙，这些初始裂隙对其受载过程 中的应变变化产生影响。因此对易泥化矿岩的初始损伤进行定量分析，提供受载时损伤发展 与强度演化的内在联系，对进一步分析易泥化矿岩的力学特性，维护矿山易泥化矿岩的稳定 性非常关键。
[0003]矿山地下开采受地质条件的影响，井下环境潮湿、含水量大，部分岩体吸水易泥化造成 物理力学性质弱化现象，从而导致围岩强度降低对采场结构稳定性造成重大影响，危害矿山 开采过程中的人员和财产安全。目前，类岩石材料初始损伤的量化方法有统计损伤模拟方法 和试验测定法。统计损伤模拟方法是采用正态分布或Weibull分布对多孔介质材料细观破坏 进行描述，从而建立反映单轴或三轴压缩条件下岩石的初始损伤量化模型，能较好地反映岩 石的损伤变化特征，但定义的损伤变量没有与材料自身内部结构特性相联系，且损伤模型多 假设初始损伤为0也与岩石材料实际(与岩石材料内部结构)不符从而影响初始损伤量化结 果的准确性，影响对采场结构稳定性的判断；试验测定法是采用CT、扫描电镜、显微镜等试 验手段对材料内部的细观损伤进行定量描述仅能对材料各剖面的细观结构进行定量分析，很 难确定材料内裂纹发展变化，对于应力r/>‑
应变过程的损伤演化无法实时观测，具有一定的局限 性。

技术实现思路

[0004]针对以上现有技术的不足，本专利技术提供一种能够与易泥化矿岩内部结构特性相联系、相 符且损伤模型假设初始损伤不为0、能实时监测应力应变过程损伤演化的基于声发射振铃计 数建立易泥化矿岩初始损伤量化分析方法，能够准确、实时监测量化分析易泥化矿岩的初始 损伤，得到易泥化矿岩初始压实阶段的应力
‑
应变关系，为矿山开采中量化分析易泥化矿岩内 部初始损伤提供科学参考依据。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于声发射振铃计数的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、制作矿岩试件，所述矿岩试件为易泥化矿岩试件；
[0008]步骤二、对步骤一所述矿岩分别进行单轴压缩条件下的声发射试验，并获取各矿岩试件 的轴向位移、载荷和声发射参数数值；
[0009]步骤三、计算并分析易泥化矿岩单轴压缩下的初始压实应力及声发射参数演化特征；
[0010]步骤四、提出易泥化矿岩基于修正后的声发射振铃计数的损伤变量，构建易泥化
矿岩初 始压实阶段的损伤本构模型，具体过程如下：
[0011]压实应力的可以通过裂隙体积应变法和弹性阶段的数值计算得到，根据广义胡克定律， 物体受载时的应力与应变的关系可用下式表示：
[0012][0013]式中：σ1、σ2和σ3分别为三个方向上的主应力，单位为MPa；ε1、ε2和ε3分别为三个主 应力对应方向上的应变；E为弹性模量，单位为MPa；μ为泊松比；
[0014]本文采用真实的应变ε
v
替代虚拟的体应变，因此可以得到裂纹体积应变为：
[0015][0016]进一步可以得到，单轴压缩条件下的裂纹体积应变为：
[0017][0018]通过式(3)可以得到起裂应力σ
ci
和损伤应力σ
cd
。而闭合应力σ
cc
需要进一步通过数值 计算得到，因此弹性阶段的应力
‑
应变关系可近似用下式表示：
[0019]σ＝Eε+a
ꢀꢀꢀ
(4)
[0020]式中：σ为轴向应力，单位为MPa；ε为轴向应变；E取真实状态下的弹性模量，单位为 MPa，a为一次函数在σ轴上的截距；通过将起裂应力σ
ci
及其所对应的应变ε
ci
代入式(4)中， 可以求得a值。将式(4)的一次函数直线与应力
‑
应变曲线首次相交时的应力近似视为裂隙 闭合的压实应力σ
cc
。
[0021]进一步地，在步骤四中提出易泥化矿岩基于修正后的声发射振铃计数的损伤变量，并构 建易泥化矿岩初始压实阶段的损伤本构模型，具体过程为：选取声发射振铃计数对易泥化矿 岩的初始损伤进行量化，将初始压实阶段结束时的岩样损伤变量D视为0，即压实阶段将初 始损伤全部修复，因此可将初始损伤简单表示为：
[0022][0023]式中：D0表示试样应变为0时的初始损伤，σ
cc
、σ
f
分别为压实应力和峰值应力，单位 为MPa，压实阶段第i时刻的损伤变量为：
[0024][0025]式中：D
i
表示压实阶段内第i时刻岩样的损伤变量，R
i
为压实阶段内第i时刻累计声发 射振铃计数，R
cc
为压实阶段声发射振铃计数之和，可以看出，D
i
在压密阶段是一个大于0的 单调递减函数，根据压密阶段的损伤变量，可以得到该阶段第i时刻岩样的等效弹性模量E
i
％ 为：
[0026][0027]式中：E为试验测得试样的真实弹性模量，基于等效连续介质力学，将易泥化矿岩压实 阶段的应力与应变关系进行单独讨论，通过式(7)可以进一步得到压实阶段试样的本构模型 为：
[0028][0029]式中：σ
i
表示压密阶段第i时刻的应力，ε
i
为压密阶段第i时刻的应变。将式(5)代入 式(8)中可得：
[0030][0031]上式中β为考虑易泥化矿岩由于弱化作用而定义的弹性模量劣化系数，通过对试验数据 进行计算得到，当β＝0.41时理论应力
‑
应变曲线与试验应力
‑
应变曲线最为吻合，因此，可 将式(9)简化为：
[0032][0033]根据式(6)可以对易泥化矿岩压实阶段的初始损伤进行量化计算并分析，根据式(10) 可以得到易泥化矿岩初始压实阶段的理论应力应变关系。
[0034]进一步地，步骤一中所述的易泥化矿岩试件尺寸是高为100mm，直径为50mm的标准圆柱 体岩石。
[0035]进一步地，步骤二中所述声发射试验采用加载应变试验，加载速率为0.005mm/s，试件 破坏时停止加载，声发射的采样门槛值为50dB，前置放大器增益为45dB，采样率为3MSPS。
[0036]进一步地，步骤三中所述计算并分析易泥化矿岩单轴压缩下的初始压实应力及声发射参 数演化特征包括：裂隙闭合的压实应力与峰值应力的比值为σ
cc
/σ
f
＝0.37
±
0.02；易泥化矿 岩单轴压缩下的声发射参数演化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于声发射振铃计数的易泥化矿岩初始损伤量化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、制作矿岩试件，所述矿岩试件为易泥化矿岩试件；步骤二、对步骤一所述矿岩试件分别进行单轴压缩条件下的声发射试验获取各矿岩试件的轴向位移、载荷和声发射参数数值；步骤三、计算并分析矿岩试件单轴压缩下的初始压实应力及声发射参数演化特征；步骤四、定义易泥化矿岩基于修正后的声发射振铃计数的损伤变量，构建易泥化矿岩初始压实阶段的损伤本构模型，具体过程如下：通过裂隙体积应变法和弹性阶段的数值计算压实应力，物体受载时的应力与应变的关系式如下式表示：式中：σ1、σ2和σ3分别为三个方向上的主应力，单位为MPa；ε1、ε2和ε3分别为三个主应力对应方向上的应变；E为弹性模量，单位为MPa；μ为泊松比；采用真实的应变ε
v
替代虚拟的体应变，得到裂纹体积应变为：得到单轴压缩条件下的裂纹体积应变为：通过式(3)得到起裂应力σ
ci
和损伤应力σ
cd
，而闭合应力σ
cc
需要进一步通过数值计算得到，因此弹性阶段的应力
‑
应变关系近似用下式表示：σ＝Eε+a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：σ为轴向应力，单位为MPa；ε为轴向应变；E取真实状态下的弹性模量，单位为MPa，a为一次函数在σ轴上的截距；通过将起裂应力σ
ci
及其所对应的应变ε
ci
代入式(4)中，可以求得a值，将式(4)的一次函数直线与应力
‑
应变曲线首次相交时的应力近似视为裂隙闭合的压实应力σ
cc
；采用声发射振铃计数对易泥化矿岩的初始损伤进行量化，将初始压实阶段结束时的矿岩试件损伤变量D视为0，即压实阶段将初始损伤全部修复，因此将初始损伤表示为：式中：D0表示矿岩试件应变为0时的初始损伤，σ
cc
、σ
f
分别为压实应力和峰值应力，单位为MPa，压实阶段第i时刻的损伤变量为：
式中：D
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵康，严雅静，伍俊，黄奇正，聂强，陈佳乐，赵康奇，杨健，敖文强，陈潼，
申请(专利权)人：生态环境部固体废物与化学品管理技术中心，
类型：发明
国别省市：