專利名稱：一種深部巖爆過程模型實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種深部巖爆過程模型實驗方法，屬于深部礦井工程巖爆災(zāi)害模型實驗研究領(lǐng)域尤其涉及真三軸卸載巖爆模型實驗領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
巖爆是高地應(yīng)力區(qū)地下工程中常見的一種卸荷破壞地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。最早的巖爆紀錄見于1738年英國南斯坦福煤田的紀錄。至今，國內(nèi)外學(xué)者專家對巖爆進行了大量的研究。在巖爆發(fā)生機理和試驗研究兩個方面取得了一定成果。在巖爆實驗研究方面，從單軸壓縮試驗、雙軸壓縮試驗、常規(guī)三軸試驗到真三軸試驗等，都有嘗試。并且基于人為擾動的作用，國內(nèi)外學(xué)者進行了許多的組合載荷試驗。根據(jù)試驗控制方法，巖爆實驗可以分為加載和卸載兩類。(1)巖爆加載實驗對巖爆的發(fā)生機理，許多學(xué)者采用室內(nèi)單軸加載脆性巖石方法近似模擬巖爆的發(fā)生。如2004年馬春德用一維動靜組合載荷對紅砂巖進行了巖石力學(xué)特性實驗。2002年許迎年等給出了在雙向壓力下的長方體試件中間開孔下模擬巖爆破壞現(xiàn)象試驗。2000年許東俊應(yīng)用真三軸進行了實驗。2005年S.H.Cho，Y.Ogata，K，Kaneko進行了巖石的動力拉伸試驗并分析了巖樣破裂過程及分離巖樣的飛出速度。(2)巖爆卸載實驗考慮到地下工程的實際卸載過程，許多學(xué)者進行了常規(guī)三軸卸載試驗研究。如許林生等(2000)采用常規(guī)三軸卸載圍壓試驗，應(yīng)用了位移控制(LVDT)，得出了低圍壓下卸壓對應(yīng)弱巖爆現(xiàn)象，在高圍壓下對應(yīng)強巖爆特征。但位移控制對巖爆試驗的適用性有待研究。尤明慶(2000)匯總了大量試驗成果，描述了巖樣三軸應(yīng)力狀態(tài)下的卸圍壓過程，并與常規(guī)加載試驗進行了對比，指出巖石在低圍壓過程中強度未降低，但脆性增加。從以上的巖爆試驗可以看出目前的巖爆力學(xué)試驗，還只是對巖石的靜力條件下的加載試驗或是一維條件下的動靜組合加載試驗；卸載試驗?zāi)壳爸痪窒拊诔Ｒ?guī)三軸試驗。大部分的巖石力學(xué)試驗結(jié)果只局限在對單個工程、個別巖石的試驗研究，無統(tǒng)一的適用理論。許林生等的力學(xué)試驗由于位移控制而限制了巖爆現(xiàn)象的發(fā)生；開孔模擬試驗得到了破壞應(yīng)力幾特征，但是其結(jié)果與真正的巖爆現(xiàn)象有相當(dāng)?shù)牟顒e。所以眾多的巖爆力學(xué)試驗結(jié)果沒有真正實現(xiàn)模擬巖爆過程，還不能很好的解釋實際工程中的巖爆現(xiàn)象，同時，使巖爆機理的研究缺乏實驗基礎(chǔ)，進而影響了預(yù)測預(yù)報和災(zāi)害控制技術(shù)的進步。隨著國民經(jīng)濟建設(shè)與國防建設(shè)的不斷發(fā)展，淺部資源日益減少，地下工程和資源開采不斷走向深部。據(jù)統(tǒng)計，在未來的10～15年，我國將有近三分之一的有色礦山即將進入深井開采。深部巖爆災(zāi)害將成為越來越亟待研究控制的地質(zhì)災(zāi)害。因此，對深部巖體的研究就必須采用新的方法和新的設(shè)備，進行深入細致的研究。尤其是實現(xiàn)實驗室內(nèi)模擬巖爆現(xiàn)象，就有了更深遠的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了克服上述不足，建立了一套實驗方法，能夠?qū)こ處r體做真三軸巖爆過程模擬實驗，并成功的使能量巖體出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。
本發(fā)明是通過以下方案實現(xiàn)的一種深部巖爆過程模型實驗方法，包括取得擬試驗地質(zhì)處的巖樣并制作模型試件，獲得該巖體基本參數(shù)如單軸抗壓強度、長期抗壓強度，彈性模量、泊松比等，設(shè)定三軸實驗載荷應(yīng)力值，根據(jù)該設(shè)定應(yīng)力值對模型試件施加載荷，紀錄并分析有關(guān)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)結(jié)果；其特征是(1)所述模型試件制作成長方體，其長度、寬度、厚度尺寸及比例和試件放置方向，相似于擬試驗處地質(zhì)巖爆單元體；(2)按照擬試驗地質(zhì)，依據(jù)深度由淺到深分級測定、計算各級地質(zhì)深度巖體的巖爆單元體處在未臨空和臨空兩種情況下實際的三向應(yīng)力值，再依據(jù)上述分級應(yīng)力值根據(jù)相似形理論設(shè)定對應(yīng)級別的三向卸荷或加荷實驗載荷應(yīng)力值；(3)對模型試件六面施加真三軸載荷至(2)中設(shè)定的第一級卸荷實驗應(yīng)力值；(4)保持該應(yīng)力狀態(tài)直至模型試件達到穩(wěn)定承載狀態(tài)；(5)模擬實際工程卸荷時間撤掉試件主應(yīng)力外的四面載荷中的一面載荷，使試件該面成為臨空面；并且，A做卸荷實驗即保持(5)中所述一面卸荷后的其他五面的載荷現(xiàn)狀不變，直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆；或者，B做加荷實驗增大未撤掉載荷的另兩個方向的載荷應(yīng)力σ和σ(σ)至第一級加荷實驗應(yīng)力值；然后保持該應(yīng)力狀態(tài)直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆；
(6)根據(jù)試驗設(shè)計安排，在下一級設(shè)定卸荷或加荷實驗載荷應(yīng)力值基礎(chǔ)上重復(fù)(3)、(4)、(5)步驟，直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的上述方案，由于模擬巖爆結(jié)構(gòu)體的試件尺寸、形狀和放置方向，模擬實際載荷狀況，并模擬實際卸荷狀況，撤掉了試件六面載荷中的一面，形成了臨空面，故試件及其整體載荷狀態(tài)與工程中深部巖體實際應(yīng)力狀態(tài)具有典型相似性。根據(jù)試驗設(shè)計，可以在依據(jù)地質(zhì)深度設(shè)定的不同級別的載荷應(yīng)力狀態(tài)下反復(fù)做卸荷或加荷實驗。在該試件巖樣實際應(yīng)當(dāng)發(fā)生巖爆的情況下，可以做出試件的模擬巖爆過程。因為模擬巖爆過程的成功，就為逐步了解和掌握實際巖爆現(xiàn)象的本質(zhì)奠定了基礎(chǔ)；同時，也為實際工程中巖爆災(zāi)害發(fā)生的判斷并進而為預(yù)防、控制巖爆發(fā)生，提供了實驗依據(jù)。


下面，結(jié)合附圖和實施例進一步做出說明。
圖1是一種類型的卸載巖爆過程實驗路線圖；圖2是某試件卸荷實驗的應(yīng)力——時間圖；圖3是該應(yīng)力——時間圖對應(yīng)垂直應(yīng)力放大曲線圖；圖4是該試件的應(yīng)變——時間圖；圖5是該試件的試件的聲發(fā)射撞擊數(shù)圖；圖6是該試件的試件的聲發(fā)射能率圖；圖7是另一試件加荷實驗的應(yīng)力——時間圖；圖8是該試件的位移——時間圖；圖9是該試件加載破壞時對應(yīng)垂直力的變化圖；圖10是圖9的局部再放大圖；圖11是該試件實驗的聲音破壞信號圖。
具體實施方案巖爆發(fā)生時的實際情況是現(xiàn)場巷道一般為3-4米高，巖爆深度約為0.1米，約為巷道深度的1/30-1/40；巖爆寬度為巷道的1/8-1/10，巖爆面高度約等于寬度；根據(jù)上述，設(shè)計用于巖爆實驗的試件一般為板狀長方體，稱為巖爆結(jié)構(gòu)體。不同地質(zhì)的巖爆結(jié)構(gòu)體不完全相同。本方案選擇最大邊長約150mm，本例選擇150mm×60mm×30mm，實際實驗中可以在150mm(±5mm)×60mm(±6mm)×30mm(±3mm)范圍選擇。試件長度端面不平整度誤差不得大于0.05mm，高度誤差不得大于0.3mm，端面于長度軸線垂直度偏差不得大于0.25°。試件的加載方向和試件的方向與實際地質(zhì)應(yīng)當(dāng)相同。試件數(shù)量單軸試驗3件，巖爆試驗3～5件。試件應(yīng)當(dāng)有代表性。對試件的描述應(yīng)當(dāng)全面，如顏色，礦物成分，結(jié)構(gòu)，風(fēng)化程度，膠結(jié)物成分等；同時描述加載方向與試件內(nèi)層理、節(jié)理、裂隙的關(guān)系及試件加工過程出現(xiàn)的問題。在巖爆實驗中，使用的是自行研發(fā)的真三軸加載設(shè)備，液壓控制。每個方向的加載都是獨立控制的。在卸載一面，使用了一個傳力裝置，該裝置加載后在重力方向處于無支撐狀態(tài)。卸載的加載壓頭在卸載時用反向加壓使載荷可以迅速卸掉，而此時傳力裝置會掉落下來，實現(xiàn)該試件面的迅速卸載。在卸載面的另一端是被動卸載，其載荷狀態(tài)與實際巖爆時單元試件的該面情況類似。選擇符合國際工程試驗方法要求的電阻應(yīng)變片，牢固地貼于試件表面。加載應(yīng)當(dāng)采取分級方式，本例采取不少于8級的方式加載。每級按0.05～0.2MPa/S的速率加載，每級間隔5分鐘，連續(xù)采集力、位移、應(yīng)變和聲音信號，并進行錄像，紀錄破壞過程。所使用設(shè)備為自制的真三軸載荷實驗系統(tǒng)，它包括主機，液壓控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中特別的，在水平載荷的一面的加載裝置中，設(shè)計了可以快速卸載的傳力結(jié)構(gòu)，運用液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)在該面快速卸載，其時間在1秒之內(nèi)。
通常，先采用單軸壓縮實驗獲得試件的單軸抗壓強度，巖石平均彈性模量和平均泊松比等。為巖爆實驗獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。
(一)卸荷巖爆實驗卸荷巖爆實驗用于判斷巖體在三向應(yīng)力組合作用下，卸載某一向的應(yīng)力后可能發(fā)生的巖爆特征，并得到該類巖體的巖爆臨界深度及臨界載荷。
實驗步驟(1)將試件置于三向加載壓頭中間，使試件中心與加載中心重合；(2)每級載荷值按巖體強度確定，可取單軸抗壓強度的1/8～1/10；按設(shè)計的應(yīng)力狀態(tài)均勻施加個級載荷；(3)連續(xù)采集試驗過程的力、位移數(shù)據(jù)，檢測聲發(fā)射；(4)加載到設(shè)計應(yīng)力狀態(tài)后放置30分鐘，做好卸載前的準備；(5)迅速卸荷，選擇在最寬的一個面，暴露該表面，同時進行高速采集和攝像；(6)根據(jù)實驗現(xiàn)象確定巖爆試驗過程，見巖爆過程實驗路線圖；(7)成果整理包括工程名稱、取樣位置、巖石名稱、巖性描述、試件尺寸、巖爆時的應(yīng)力狀態(tài)和加載次數(shù)、卸載放置時間內(nèi)試件有無裂紋及聲音現(xiàn)象、力與位移的突變時間及數(shù)值、發(fā)聲特征等，包括A、巖爆實驗過程的應(yīng)力路徑；B、繪制應(yīng)力——應(yīng)變曲線加載、卸載過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系；C、繪制聲發(fā)射特征曲線事件數(shù)——時間曲線、能量釋放率——時間曲線；D、力與位移突然變化特征，主要是垂直和水平不卸載方向的力與位移的變化。
(二)加載巖爆實驗加載實驗用于在三向應(yīng)力作用下的巖體突然卸掉一面應(yīng)力，暴露該面，同時增加另一向或兩向應(yīng)力條件下的巖體臨空面發(fā)生的巖爆的破壞特征。
實驗步驟(1)將試件置于三向加載壓頭中間，使試件中心與加載中心重合；(2)每級載荷值按巖體強度確定，可取單軸抗壓強度的1/8～1/10；按設(shè)計的應(yīng)力狀態(tài)均勻施加個級載荷；(3)連續(xù)采集試驗過程的力、位移數(shù)據(jù)，檢測聲發(fā)射；(4)加載到設(shè)計應(yīng)力狀態(tài)后放置20--40分鐘，做好卸載前的準備；(5)迅速卸載水平方向應(yīng)力之一的一個面，暴露該表面，同時進行高速采集和攝像；(6)增加最大主應(yīng)力至下一級應(yīng)力值，然后根據(jù)實驗現(xiàn)象確定巖爆試驗過程，見巖爆過程實驗路線圖；(7)成果整理包括工程名稱、取樣位置、巖石名稱、巖性描述、試件尺寸、巖爆時的應(yīng)力狀態(tài)和加載次數(shù)、卸載放置時間內(nèi)試件有無裂紋及聲音現(xiàn)象、力與位移的突變時間及數(shù)值、發(fā)聲特征等，包括A、巖爆實驗過程的應(yīng)力路徑；B、繪制應(yīng)力——應(yīng)變曲線加載、卸載過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系；C、繪制聲發(fā)射特征曲線事件數(shù)——時間曲線、能量釋放率——時間曲線；D、力與位移突然變化特征，主要是垂直和水平不卸載方向的力與位移的變化。
具體的實例，見某卸荷巖爆實驗曲應(yīng)力——應(yīng)變線圖和加載巖爆實驗應(yīng)力——應(yīng)變曲線圖及聲監(jiān)測圖。
以應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榭v軸，時間為橫軸，通過傳感裝置和聲音監(jiān)測裝置，可以紀錄實驗過程中的各項數(shù)據(jù)，積累實驗成果。同時，也可以從上述試驗數(shù)據(jù)中對比觀察出巖爆和一般受力破壞的明顯區(qū)別。
就試驗?zāi)Ｊ蕉裕梢阅M試驗不同深度巖體卸荷后的破壞，也可以模擬不同卸荷時間下的破壞情況，還可以模擬卸荷后持續(xù)保持載荷不同時間下的破壞情況。
就圖1所示的類型的試驗而言，所揭示的是卸載情況下發(fā)生巖爆的實驗流程。結(jié)果可以分為瞬時巖爆、標(biāo)準巖爆和蠕變巖爆三種。實施例中，卸載時間小于等于1秒。
圖2至6為某試件卸荷巖爆卸荷實驗參數(shù)圖示。
圖7至11為某試件卸荷巖爆卸荷實驗參數(shù)圖示。從圖2至6所示巖爆卸荷實驗的應(yīng)力、應(yīng)變時間關(guān)系和聲音破壞對應(yīng)時間可以看出，在某時間點上，應(yīng)力σ1-3和應(yīng)變ε1-3及r都發(fā)生了急劇的變化；聲音圖像也在某時間劇變，可以看到破壞時的圖形，因此該試件發(fā)生巖爆的特征十分明顯。在一般破壞中，破壞的應(yīng)力、應(yīng)變是漸變的，而在巖爆試驗中的破壞很突然。并且，在破壞現(xiàn)象上，也巖樣產(chǎn)生了片狀爆裂，明顯區(qū)別于通常單軸或三軸破壞的現(xiàn)象。
圖7至11為某試件加荷巖爆實驗應(yīng)力σ1-3、位移u1-3——時間圖及聲監(jiān)測圖，可以看出其揭示的情況和前述的卸荷試驗相同。
由此可見，實驗室?guī)r爆試驗成功。
以上所述的技術(shù)方案，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
與有代表性的具體實施方式
；但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種深部巖爆過程模型實驗方法，包括取得擬試驗處巖體巖樣并制作模型試件，獲得該巖體基本參數(shù)如單軸抗壓強度、長期抗壓強度，彈性模量、泊松比等，設(shè)定三軸實驗載荷應(yīng)力值，根據(jù)該設(shè)定應(yīng)力值對模型試件施加載荷，紀錄并分析有關(guān)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)結(jié)果；其特征是(1)根據(jù)擬試驗處巖體巖爆結(jié)構(gòu)體設(shè)定其長度、寬度、厚度尺寸以及試件放置方向，將模型試件制作成長方體；(2)按照擬試驗處巖體深度由淺到深分級測定、計算各級深度巖體的巖爆結(jié)構(gòu)體處在沒有臨空面和有一個臨空面兩種情況下的三向應(yīng)力值，再依據(jù)上述分級應(yīng)力值根據(jù)相似性理論設(shè)定對應(yīng)級別的三向卸荷實驗載荷應(yīng)力值和加荷實驗載荷應(yīng)力值；(3)對模型試件六面施加真三軸載荷至(2)中設(shè)定的第一級卸荷實驗應(yīng)力值；(4)保持該應(yīng)力狀態(tài)直至模型試件在所受載荷不變的條件下，應(yīng)變速率小于等于0.01/s；(5)模擬實際工程卸荷時間撤掉主應(yīng)力六面載荷中的一面載荷，使試件該面成為臨空面；并且，A做卸荷實驗即保持(5)中所述一面卸荷后的其他五面的載荷現(xiàn)狀不變，直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆；或者，B做加荷實驗在未撤掉載荷中，增加一面載荷應(yīng)力值至下一級一級加荷實驗應(yīng)力值，增加、減小或保持另一向載荷應(yīng)力值到相對應(yīng)級別；然后保持該應(yīng)力狀態(tài)直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆；(6)如果未發(fā)生巖爆，則在下一級設(shè)定卸荷或加荷實驗載荷應(yīng)力值上重復(fù)(3)、(4)、(5)步驟，直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深部巖爆過程模型實驗方法，其特征是(1)設(shè)定模型試件長方體尺寸為150mm(±5mm)×60mm(±6mm)×30mm(±3mm)；(2)對模型試件六面分8至10級施加真三軸載荷至設(shè)定的第一級卸荷實驗應(yīng)力值；(3)保持該應(yīng)力對應(yīng)載荷狀態(tài)20--40分鐘；(4)在1秒內(nèi)撤掉試件面積最大一面上的載荷，使試件該面成為臨空面；(5)A、做卸荷實驗即保持卸掉一面卸荷后的其他五面的載荷現(xiàn)狀20--40分鐘，采集并判斷試件聲音信號，如果如果其間沒有發(fā)生聲音破壞，則在下一級設(shè)定實驗應(yīng)力狀態(tài)下重復(fù)本權(quán)利要求(2)(3)(4)(5)A步驟，直至發(fā)生聲音破壞，則再保持該應(yīng)力狀態(tài)20---40分鐘，觀察是否發(fā)生巖爆；如果沒有發(fā)生巖爆，則在下一級設(shè)定應(yīng)力狀態(tài)重復(fù)本權(quán)利要求(2)(3)(4)(5)A過程，直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆；或者，B做加荷試驗在未撤掉載荷中，增加一面載荷應(yīng)力值至下一級一級加荷實驗應(yīng)力值，增加、減小或保持另一向載荷應(yīng)力值到相對應(yīng)級別，保持該應(yīng)力狀態(tài)20---40分鐘；判斷試件聲音信號如果其間沒有發(fā)生聲音破壞，則在設(shè)定的下一級別應(yīng)力載荷狀態(tài)下(2)(3)(4)(5)B步驟；如果在設(shè)定的下一級別應(yīng)力狀態(tài)下還沒有發(fā)生聲音破壞則重復(fù)(5)B過程，直至發(fā)生聲音破壞，則繼續(xù)保持該應(yīng)力狀態(tài)20---40分鐘，觀察是否發(fā)生巖爆；如果還沒有發(fā)生巖爆破壞，則在下一級設(shè)定載荷應(yīng)力下重復(fù)(5)B過程；直至發(fā)生巖爆或者確定不會發(fā)生巖爆。
全文摘要
一種深部巖爆過程模型實驗方法，屬于深部礦井工程巖爆災(zāi)害模型實驗研究領(lǐng)域。巖爆是深部礦井工程中非常危險的一種工程災(zāi)害。由于其深部特有的力學(xué)特征和巖體特征以及地?zé)?、人為擾動等因素，加上目前人類進入深部巖體的規(guī)律研究的時間不久，所以對其規(guī)律認識尚淺，還沒能在實驗室內(nèi)模擬成功巖爆現(xiàn)象。因此實驗室內(nèi)模擬試驗深部巖體的巖爆是十分重要的課題。本發(fā)明采用對模擬巖爆單元體做真三軸加載，單面卸載，并在卸荷、加荷兩個方面對巖體試件進行巖爆試驗的方法，實現(xiàn)了實驗室內(nèi)巖爆模型實驗成功并積累了一定的試驗成果。本發(fā)明對了解掌握深部巖體規(guī)律和對工程設(shè)計都有重要意義。
文檔編號G01N33/00GK101051011SQ20071009929
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者何滿潮 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)