基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统，该方法为：先将岩石制成圆柱形岩石试样；再进行单轴压缩试验直至完全破坏，记录声学信号、破坏过程的图像信息、应力

【技术实现步骤摘要】
基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统


[0001]本专利技术涉及岩爆倾向性等级判别
，尤其涉及一种基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统。

技术介绍

[0002]随着浅部资源和空间的日益匮乏，采矿、隧道等各类岩体工程不断向地球深部延伸。伴随着工程施工深度的增加，岩爆发生频率与烈度剧增，严重威胁施工人员的安全，造成的经济损失更是无法估量。岩爆倾向性作为评估岩石材料岩爆发生潜力的重要指标，是指导深地工程设计、岩爆灾害防治的基础。因此，科学、准确、定量评估岩石材料的岩爆倾向性并合理划分岩爆倾向等级是预防深地工程岩爆的关键。
[0003]岩爆是能量驱动下的一种典型的岩石失稳现象，岩爆破坏过程能量剧烈释放是深部工程岩爆灾害的典型特征。因此，从岩石破坏全过程的能量演化角度评估岩石岩爆倾向性是合理的且有必要的。目前，国内外学者已经提出了许多基于能量指标的岩爆倾向性判据，包括应变储能指数、能量冲击指数、弹性应变能指数、峰值能量冲击指数、剩余弹性能指数、岩爆潜在发生类型评估能量比(CN202210750932.2)、应力能量比(CN202010767256.0)等，这些岩爆倾向性判据从岩石峰前和峰后能量角度评价了岩石材料岩爆倾向性，反映了岩爆发生的高储能特性，而岩爆破坏是一个能量迅速释放的动态过程，不仅需要考虑岩爆发生时岩石内部的能量，还需要考虑岩爆发生时能量的释放速率，即需要考虑单位时间内的能量释放，才能综合全面地反映岩石材料的真实岩爆倾向性。目前，已有方法(申请号为CN201910430760.9和CN201910429937.3的专利)考虑了岩爆的时间特征，通过单轴压缩实验或者单轴分级加卸载实验计算了滞后时间比，然而该指标仅是从岩爆的时间角度考虑，而没有考虑岩爆过程的能量特征，无法科学评估岩石材料的岩爆倾向性。
[0004]另外，不同性质岩石(软岩、硬岩)的储能能力不同，其破坏过程的能量演化也不尽相同，而目前则是采用相同的能量计算模型计算不同性质岩石的能量参数，为岩爆倾向指标的计算带来误差。
[0005]有鉴于此，有必要设计一种改进的基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法及系统，该方法首先利用声学信号和破坏过程的图像信息的双重标准将岩样进行准确地能量演变归类，为岩石试样能量精确计算提供有利条件，接着综合考虑岩样破坏全过程的能量和时间因素，得到峰后能量释放速率和总能量输入速率，利用峰后能量释放速率和总能量输入速率的比值消除加载速率对岩爆倾向性的影响，最终精确得出岩石的岩爆倾向性。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法，包括如下步骤：
[0008]S1.将获取的岩块加工成标准的圆柱形岩石试样；
[0009]S2.对所述圆柱形岩石试样进行单轴压缩试验直至完全破坏，得到声学信号、破坏过程的图像信息、全轴向应力
‑
轴向应变曲线以及全轴向应力
‑
时间曲线；
[0010]S3.根据步骤S2得到的所述声学信号和破坏过程的图像信息将所述圆柱形岩石试样归类为第一类能量演变类型或第二类能量演变类型，以确定能量计算模型；
[0011]S4.根据步骤S2得到的所述全轴向应力
‑
轴向应变曲线和步骤S3得到的能量演变类型计算总输入能量特征值U
total
和峰后能量特征值U
post
‑
peak
；
[0012]S5.定义所述圆柱形岩石试样的峰值应力与终止应力间隔时间为破坏时长T1，初始加载应力与终止应力间隔时间为加载总时长T2；
[0013]根据步骤S4得到的所述峰后能量特征值U
post
‑
peak
和所述破坏时长T1得出峰后能量释放速率VE
post
‑
peak
，VE
post
‑
peak
＝U
post
‑
peak
/T1；
[0014]根据步骤S4得到的所述总输入能量特征值U
total
和所述加载总时长T2得出总能量输入速率VE
total
，VE
total
＝U
total
/T2；
[0015]S6.根据步骤S5得到的所述峰后能量释放速率VE
post
‑
peak
和所述总能量输入速率VE
total
得出相对峰后能量释放速率RVE
post
‑
peak
，RVE
post
‑
peak
＝VE
post
‑
peak
/VE
total
；
[0016]S7.根据步骤S6得到的所述相对峰后能量释放速率RVE
post
‑
peak
的值判断所述圆柱形岩石试样岩爆倾向性等级：
[0017]当RVE
post
‑
peak
≤5时，岩石材料无岩爆倾向；当5<RVE
post
‑
peak
≤8时，岩石材料有轻微岩爆倾向；当8<RVE
post
‑
peak
≤12时，岩石材料有中等岩爆倾向；当RVE
post
‑
peak
≥12时，岩石材料有强岩爆倾向。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述第一类能量演变类型包括去噪后无声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程无岩石碎片飞溅，或者去噪后有微弱声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程有极少量岩石碎屑紧贴所述圆柱形岩石试样松动滑落两种情形中的一种；所述第一类能量演变类型的终止应力为残余应力；
[0019]所述第二类能量演变类型为有去噪后较大声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程有大量岩石碎片飞溅的情形；所述第二类能量演变类型的终止应力为岩爆破坏应力。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，步骤S4中所述总输入能量特征值U
total
和所述峰后能量特征值U
post
‑
peak
的计算公式为：
[0021][0022][0023][0024]其中，为第一类总输入能量特征值；
[0025]U
o
为峰前总输入能，由全轴向应力
‑
轴向应变曲线峰前阶段曲线下的面积积分得到；
[0026]为第一类峰后总输入能，由全轴向应力
‑
轴向应变曲线峰后阶段曲线下的面积...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将获取的岩块加工成标准的圆柱形岩石试样；S2.对所述圆柱形岩石试样进行单轴压缩试验直至完全破坏，得到声学信号、破坏过程的图像信息、全轴向应力
‑
轴向应变曲线以及全轴向应力
‑
时间曲线；S3.根据步骤S2得到的所述声学信号和破坏过程的图像信息将所述圆柱形岩石试样归类为第一类能量演变类型或第二类能量演变类型，以确定能量计算模型；S4.根据步骤S2得到的所述全轴向应力
‑
轴向应变曲线和步骤S3得到的能量演变类型计算总输入能量特征值U
total
和峰后能量特征值U
post
‑
peak
；S5.定义所述圆柱形岩石试样的峰值应力与终止应力间隔时间为破坏时长T1，初始加载应力与终止应力间隔时间为加载总时长T2；根据步骤S4得到的所述峰后能量特征值U
post
‑
peak
和所述破坏时长T1得出峰后能量释放速率VE
post
‑
peak
，VE
post
‑
peak
＝U
post
‑
peak
/T1；根据步骤S4得到的所述总输入能量特征值U
total
和所述加载总时长T2得出总能量输入速率VE
total
，VE
total
＝U
total
/T2；S6.根据步骤S5得到的所述峰后能量释放速率VE
post
‑
peak
和所述总能量输入速率VE
total
得出相对峰后能量释放速率RVE
post
‑
peak
，RVE
post
‑
peak
＝VE
post
‑
peak
/VE
total
；S7.根据步骤S6得到的所述相对峰后能量释放速率RVE
post
‑
peak
的值判断所述圆柱形岩石试样岩爆倾向性等级：当RVE
post
‑
peak
≤5时，岩石材料无岩爆倾向；当5<RVE
post
‑
peak
≤8时，岩石材料有轻微岩爆倾向；当8<RVE
post
‑
peak
≤12时，岩石材料有中等岩爆倾向；当RVE
post
‑
peak
≥12时，岩石材料有强岩爆倾向。2.根据权利要求1所述的基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，步骤S3中，所述第一类能量演变类型包括去噪后无声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程无岩石碎片飞溅，或者去噪后有微弱声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程有极少量岩石碎屑紧贴所述圆柱形岩石试样松动滑落两种情形中的一种；所述第一类能量演变类型的终止应力为残余应力；所述第二类能量演变类型为去噪后有较大声学信号、且所述圆柱形岩石试样破坏过程有大量岩石碎片飞溅的情形；所述第二类能量演变类型的终止应力为岩爆破坏应力。3.根据权利要求2所述的基于相对峰后能量释放速率指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，步骤S4中所述总输入能量特征值U
total
和所述峰后能量特征值U
post
‑
peak
的计算公式为：算公式为：算公式为：其中，为第一类总输入能量特征值；U
o
为峰前总输入能，由全轴向应力
‑
轴向应变曲线峰前阶段曲线下的面积积分得到；
为第一类峰后总输入能，由全轴向应力
‑
轴向应变曲线峰后阶段曲线下的面积积分得到，终止应力为残余应力；为第一类峰后能量特征值；为第一类峰后断裂能；U
e
为峰前弹性能；U
er
为峰后剩余弹性能；为峰后剩余弹性能；为峰后剩余弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡鑫，王培宇，周子龙，黄英华，赵奕翰，赵庭辉，凡家乐，程传清，张金坤，袁航，韦琼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：