专利名称：一种深部岩爆过程模型实验方法
技术领域：
一种深部岩爆过程模型实验方法，属于深部矿井工程岩爆灾害模型实验研究领域尤其涉及真三轴卸载岩爆模型实验领域。
背景技术：
岩爆是高地应力区地下工程中常见的一种卸荷破坏地质灾害现象。最早的岩爆纪录见于1738年英国南斯坦福煤田的纪录。至今，国内外学者专家对岩爆进行了大量的研究。在岩爆发生机理和试验研究两个方面取得了一定成果。在岩爆实验研究方面，从单轴压缩试验、双轴压缩试验、常规三轴试验到真三轴试验等，都有尝试。并且基于人为扰动的作用，国内外学者进行了许多的组合载荷试验。根据试验控制方法，岩爆实验可以分为加载和卸载两类。(1)岩爆加载实验对岩爆的发生机理，许多学者采用室内单轴加载脆性岩石方法近似模拟岩爆的发生。如2004年马春德用一维动静组合载荷对红砂岩进行了岩石力学特性实验。2002年许迎年等给出了在双向压力下的长方体试件中间开孔下模拟岩爆破坏现象试验。2000年许东俊应用真三轴进行了实验。2005年S.H.Cho，Y.Ogata，K，Kaneko进行了岩石的动力拉伸试验并分析了岩样破裂过程及分离岩样的飞出速度。(2)岩爆卸载实验考虑到地下工程的实际卸载过程，许多学者进行了常规三轴卸载试验研究。如许林生等(2000)采用常规三轴卸载围压试验，应用了位移控制(LVDT)，得出了低围压下卸压对应弱岩爆现象，在高围压下对应强岩爆特征。但位移控制对岩爆试验的适用性有待研究。尤明庆(2000)汇总了大量试验成果，描述了岩样三轴应力状态下的卸围压过程，并与常规加载试验进行了对比，指出岩石在低围压过程中强度未降低，但脆性增加。从以上的岩爆试验可以看出目前的岩爆力学试验，还只是对岩石的静力条件下的加载试验或是一维条件下的动静组合加载试验；卸载试验目前只局限在常规三轴试验。大部分的岩石力学试验结果只局限在对单个工程、个别岩石的试验研究，无统一的适用理论。许林生等的力学试验由于位移控制而限制了岩爆现象的发生；开孔模拟试验得到了破坏应力几特征，但是其结果与真正的岩爆现象有相当的差别。所以众多的岩爆力学试验结果没有真正实现模拟岩爆过程，还不能很好的解释实际工程中的岩爆现象，同时，使岩爆机理的研究缺乏实验基础，进而影响了预测预报和灾害控制技术的进步。随着国民经济建设与国防建设的不断发展，浅部资源日益减少，地下工程和资源开采不断走向深部。据统计，在未来的10～15年，我国将有近三分之一的有色矿山即将进入深井开采。深部岩爆灾害将成为越来越亟待研究控制的地质灾害。因此，对深部岩体的研究就必须采用新的方法和新的设备，进行深入细致的研究。尤其是实现实验室内模拟岩爆现象，就有了更深远的意义。
发明内容
本发明就是为了克服上述不足，建立了一套实验方法，能够对工程岩体做真三轴岩爆过程模拟实验，并成功的使能量岩体出现了岩爆现象。
本发明是通过以下方案实现的一种深部岩爆过程模型实验方法，包括取得拟试验地质处的岩样并制作模型试件，获得该岩体基本参数如单轴抗压强度、长期抗压强度，弹性模量、泊松比等，设定三轴实验载荷应力值，根据该设定应力值对模型试件施加载荷，纪录并分析有关数据得出相应结果；其特征是(1)所述模型试件制作成长方体，其长度、宽度、厚度尺寸及比例和试件放置方向，相似于拟试验处地质岩爆单元体；(2)按照拟试验地质，依据深度由浅到深分级测定、计算各级地质深度岩体的岩爆单元体处在未临空和临空两种情况下实际的三向应力值，再依据上述分级应力值根据相似形理论设定对应级别的三向卸荷或加荷实验载荷应力值；(3)对模型试件六面施加真三轴载荷至(2)中设定的第一级卸荷实验应力值；(4)保持该应力状态直至模型试件达到稳定承载状态；(5)模拟实际工程卸荷时间撤掉试件主应力外的四面载荷中的一面载荷，使试件该面成为临空面；并且，A做卸荷实验即保持(5)中所述一面卸荷后的其他五面的载荷现状不变，直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆；或者，B做加荷实验增大未撤掉载荷的另两个方向的载荷应力σ和σ(σ)至第一级加荷实验应力值；然后保持该应力状态直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆；
(6)根据试验设计安排，在下一级设定卸荷或加荷实验载荷应力值基础上重复(3)、(4)、(5)步骤，直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的上述方案，由于模拟岩爆结构体的试件尺寸、形状和放置方向，模拟实际载荷状况，并模拟实际卸荷状况，撤掉了试件六面载荷中的一面，形成了临空面，故试件及其整体载荷状态与工程中深部岩体实际应力状态具有典型相似性。根据试验设计，可以在依据地质深度设定的不同级别的载荷应力状态下反复做卸荷或加荷实验。在该试件岩样实际应当发生岩爆的情况下，可以做出试件的模拟岩爆过程。因为模拟岩爆过程的成功，就为逐步了解和掌握实际岩爆现象的本质奠定了基础；同时，也为实际工程中岩爆灾害发生的判断并进而为预防、控制岩爆发生，提供了实验依据。
下面，结合附图和实施例进一步做出说明。
图1是一种类型的卸载岩爆过程实验路线图；图2是某试件卸荷实验的应力——时间图；图3是该应力——时间图对应垂直应力放大曲线图；图4是该试件的应变——时间图；图5是该试件的试件的声发射撞击数图；图6是该试件的试件的声发射能率图；图7是另一试件加荷实验的应力——时间图；图8是该试件的位移——时间图；图9是该试件加载破坏时对应垂直力的变化图；图10是图9的局部再放大图；图11是该试件实验的声音破坏信号图。
具体实施方案岩爆发生时的实际情况是现场巷道一般为3-4米高，岩爆深度约为0.1米，约为巷道深度的1/30-1/40；岩爆宽度为巷道的1/8-1/10，岩爆面高度约等于宽度；根据上述，设计用于岩爆实验的试件一般为板状长方体，称为岩爆结构体。不同地质的岩爆结构体不完全相同。本方案选择最大边长约150mm，本例选择150mm×60mm×30mm，实际实验中可以在150mm(±5mm)×60mm(±6mm)×30mm(±3mm)范围选择。试件长度端面不平整度误差不得大于0.05mm，高度误差不得大于0.3mm，端面于长度轴线垂直度偏差不得大于0.25°。试件的加载方向和试件的方向与实际地质应当相同。试件数量单轴试验3件，岩爆试验3～5件。试件应当有代表性。对试件的描述应当全面，如颜色，矿物成分，结构，风化程度，胶结物成分等；同时描述加载方向与试件内层理、节理、裂隙的关系及试件加工过程出现的问题。在岩爆实验中，使用的是自行研发的真三轴加载设备，液压控制。每个方向的加载都是独立控制的。在卸载一面，使用了一个传力装置，该装置加载后在重力方向处于无支撑状态。卸载的加载压头在卸载时用反向加压使载荷可以迅速卸掉，而此时传力装置会掉落下来，实现该试件面的迅速卸载。在卸载面的另一端是被动卸载，其载荷状态与实际岩爆时单元试件的该面情况类似。选择符合国际工程试验方法要求的电阻应变片，牢固地贴于试件表面。加载应当采取分级方式，本例采取不少于8级的方式加载。每级按0.05～0.2MPa/S的速率加载，每级间隔5分钟，连续采集力、位移、应变和声音信号，并进行录像，纪录破坏过程。所使用设备为自制的真三轴载荷实验系统，它包括主机，液压控制系统，数据采集系统。其中特别的，在水平载荷的一面的加载装置中，设计了可以快速卸载的传力结构，运用液压控制系统实现在该面快速卸载，其时间在1秒之内。
通常，先采用单轴压缩实验获得试件的单轴抗压强度，岩石平均弹性模量和平均泊松比等。为岩爆实验获得相关数据。
(一)卸荷岩爆实验卸荷岩爆实验用于判断岩体在三向应力组合作用下，卸载某一向的应力后可能发生的岩爆特征，并得到该类岩体的岩爆临界深度及临界载荷。
实验步骤(1)将试件置于三向加载压头中间，使试件中心与加载中心重合；(2)每级载荷值按岩体强度确定，可取单轴抗压强度的1/8～1/10；按设计的应力状态均匀施加个级载荷；(3)连续采集试验过程的力、位移数据，检测声发射；(4)加载到设计应力状态后放置30分钟，做好卸载前的准备；(5)迅速卸荷，选择在最宽的一个面，暴露该表面，同时进行高速采集和摄像；(6)根据实验现象确定岩爆试验过程，见岩爆过程实验路线图；(7)成果整理包括工程名称、取样位置、岩石名称、岩性描述、试件尺寸、岩爆时的应力状态和加载次数、卸载放置时间内试件有无裂纹及声音现象、力与位移的突变时间及数值、发声特征等，包括A、岩爆实验过程的应力路径；B、绘制应力——应变曲线加载、卸载过程的应力与应变关系；C、绘制声发射特征曲线事件数——时间曲线、能量释放率——时间曲线；D、力与位移突然变化特征，主要是垂直和水平不卸载方向的力与位移的变化。
(二)加载岩爆实验加载实验用于在三向应力作用下的岩体突然卸掉一面应力，暴露该面，同时增加另一向或两向应力条件下的岩体临空面发生的岩爆的破坏特征。
实验步骤(1)将试件置于三向加载压头中间，使试件中心与加载中心重合；(2)每级载荷值按岩体强度确定，可取单轴抗压强度的1/8～1/10；按设计的应力状态均匀施加个级载荷；(3)连续采集试验过程的力、位移数据，检测声发射；(4)加载到设计应力状态后放置20--40分钟，做好卸载前的准备；(5)迅速卸载水平方向应力之一的一个面，暴露该表面，同时进行高速采集和摄像；(6)增加最大主应力至下一级应力值，然后根据实验现象确定岩爆试验过程，见岩爆过程实验路线图；(7)成果整理包括工程名称、取样位置、岩石名称、岩性描述、试件尺寸、岩爆时的应力状态和加载次数、卸载放置时间内试件有无裂纹及声音现象、力与位移的突变时间及数值、发声特征等，包括A、岩爆实验过程的应力路径；B、绘制应力——应变曲线加载、卸载过程的应力与应变关系；C、绘制声发射特征曲线事件数——时间曲线、能量释放率——时间曲线；D、力与位移突然变化特征，主要是垂直和水平不卸载方向的力与位移的变化。
具体的实例，见某卸荷岩爆实验曲应力——应变线图和加载岩爆实验应力——应变曲线图及声监测图。
以应力、应变为纵轴，时间为横轴，通过传感装置和声音监测装置，可以纪录实验过程中的各项数据，积累实验成果。同时，也可以从上述试验数据中对比观察出岩爆和一般受力破坏的明显区别。
就试验模式而言，可以模拟试验不同深度岩体卸荷后的破坏，也可以模拟不同卸荷时间下的破坏情况，还可以模拟卸荷后持续保持载荷不同时间下的破坏情况。
就图1所示的类型的试验而言，所揭示的是卸载情况下发生岩爆的实验流程。结果可以分为瞬时岩爆、标准岩爆和蠕变岩爆三种。实施例中，卸载时间小于等于1秒。
图2至6为某试件卸荷岩爆卸荷实验参数图示。
图7至11为某试件卸荷岩爆卸荷实验参数图示。从图2至6所示岩爆卸荷实验的应力、应变时间关系和声音破坏对应时间可以看出，在某时间点上，应力σ1-3和应变ε1-3及r都发生了急剧的变化；声音图像也在某时间剧变，可以看到破坏时的图形，因此该试件发生岩爆的特征十分明显。在一般破坏中，破坏的应力、应变是渐变的，而在岩爆试验中的破坏很突然。并且，在破坏现象上，也岩样产生了片状爆裂，明显区别于通常单轴或三轴破坏的现象。
图7至11为某试件加荷岩爆实验应力σ1-3、位移u1-3——时间图及声监测图，可以看出其揭示的情况和前述的卸荷试验相同。
由此可见，实验室岩爆试验成功。
以上所述的技术方案，仅为本发明较佳的具体实施方式
与有代表性的具体实施方式
；但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种深部岩爆过程模型实验方法，包括取得拟试验处岩体岩样并制作模型试件，获得该岩体基本参数如单轴抗压强度、长期抗压强度，弹性模量、泊松比等，设定三轴实验载荷应力值，根据该设定应力值对模型试件施加载荷，纪录并分析有关数据得出相应结果；其特征是(1)根据拟试验处岩体岩爆结构体设定其长度、宽度、厚度尺寸以及试件放置方向，将模型试件制作成长方体；(2)按照拟试验处岩体深度由浅到深分级测定、计算各级深度岩体的岩爆结构体处在没有临空面和有一个临空面两种情况下的三向应力值，再依据上述分级应力值根据相似性理论设定对应级别的三向卸荷实验载荷应力值和加荷实验载荷应力值；(3)对模型试件六面施加真三轴载荷至(2)中设定的第一级卸荷实验应力值；(4)保持该应力状态直至模型试件在所受载荷不变的条件下，应变速率小于等于0.01/s；(5)模拟实际工程卸荷时间撤掉主应力六面载荷中的一面载荷，使试件该面成为临空面；并且，A做卸荷实验即保持(5)中所述一面卸荷后的其他五面的载荷现状不变，直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆；或者，B做加荷实验在未撤掉载荷中，增加一面载荷应力值至下一级一级加荷实验应力值，增加、减小或保持另一向载荷应力值到相对应级别；然后保持该应力状态直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆；(6)如果未发生岩爆，则在下一级设定卸荷或加荷实验载荷应力值上重复(3)、(4)、(5)步骤，直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆。
2.根据权利要求1所述的一种深部岩爆过程模型实验方法，其特征是(1)设定模型试件长方体尺寸为150mm(±5mm)×60mm(±6mm)×30mm(±3mm)；(2)对模型试件六面分8至10级施加真三轴载荷至设定的第一级卸荷实验应力值；(3)保持该应力对应载荷状态20--40分钟；(4)在1秒内撤掉试件面积最大一面上的载荷，使试件该面成为临空面；(5)A、做卸荷实验即保持卸掉一面卸荷后的其他五面的载荷现状20--40分钟，采集并判断试件声音信号，如果如果其间没有发生声音破坏，则在下一级设定实验应力状态下重复本权利要求(2)(3)(4)(5)A步骤，直至发生声音破坏，则再保持该应力状态20---40分钟，观察是否发生岩爆；如果没有发生岩爆，则在下一级设定应力状态重复本权利要求(2)(3)(4)(5)A过程，直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆；或者，B做加荷试验在未撤掉载荷中，增加一面载荷应力值至下一级一级加荷实验应力值，增加、减小或保持另一向载荷应力值到相对应级别，保持该应力状态20---40分钟；判断试件声音信号如果其间没有发生声音破坏，则在设定的下一级别应力载荷状态下(2)(3)(4)(5)B步骤；如果在设定的下一级别应力状态下还没有发生声音破坏则重复(5)B过程，直至发生声音破坏，则继续保持该应力状态20---40分钟，观察是否发生岩爆；如果还没有发生岩爆破坏，则在下一级设定载荷应力下重复(5)B过程；直至发生岩爆或者确定不会发生岩爆。
全文摘要
一种深部岩爆过程模型实验方法，属于深部矿井工程岩爆灾害模型实验研究领域。岩爆是深部矿井工程中非常危险的一种工程灾害。由于其深部特有的力学特征和岩体特征以及地热、人为扰动等因素，加上目前人类进入深部岩体的规律研究的时间不久，所以对其规律认识尚浅，还没能在实验室内模拟成功岩爆现象。因此实验室内模拟试验深部岩体的岩爆是十分重要的课题。本发明采用对模拟岩爆单元体做真三轴加载，单面卸载，并在卸荷、加荷两个方面对岩体试件进行岩爆试验的方法，实现了实验室内岩爆模型实验成功并积累了一定的试验成果。本发明对了解掌握深部岩体规律和对工程设计都有重要意义。
文档编号G01N33/00GK101051011SQ20071009929
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者何满潮 申请人:中国矿业大学(北京)