一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法

摘要

本发明提供一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法，包括以下步骤：制作方形断面的岩石试样；将所述岩石试样在巴西劈裂条件下依次生成双平行结构面；对双平行结构面分别进行3D扫描，获取双平行结构面的三维数字模型并计算其粗糙度；将岩石试样安放到剪切试验机上，并在底部侧面安装声发射监测探头，对试样进行常法向应力条件下的直剪试验，同时监测岩石试件的声发射信号；汇总整理剪切试验过程中剪切时间、剪切应力、剪切位移、声发射信号数据，在此基础上分析该岩石试样发生滑移型岩爆的机理。本发明在实验室范围内构建出结构面与岩石相互作用、相互影响的简化岩体系统，可以为滑移型岩爆的机理研究与预警预测提供更加可靠的实验方法。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，具体涉及一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法。

背景技术

在世界范围内，随着人类采矿、水力、交通、核废料处置、军事防务等岩石工程不断向深部拓展，地应力逐渐增高，岩爆问题日益突出。一般而言，岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象。岩爆灾害的发生影响工程进度，增加工程成本，甚至造成设备损坏及人员伤亡等灾难性后果。

工程实践表明，结构面的剪切滑移可能诱发极强岩爆，即滑移型岩爆。目前，有关滑移型岩爆机理的实验室研究主要是通过单一结构面直剪试验的常规方法实现的。试验通过改变法向应力、结构面粗糙度、剪切速率等实验条件，研究结构面的破坏与能量释放情况。但是，由于上下两块岩石受到剪切盒的约束，岩石试件的破坏被限定在有限的范围内，即只能沿着结构面滑动破坏。在此情况下，结构面应力集中的程度、结构面主要凸起的尺寸、强度和位置等因素决定了岩爆发生的等级、爆坑深度等。而在真实岩体中，结构面往往不是单独存在的，特别是在高应力状态下，结构面紧密咬合产生巨大的剪切阻力，此时结构面之间的贯通或结构面间夹层岩石的突然断裂失稳形成剧烈岩爆的可能性大大增加，而通常采用的单结构面直剪试验方法不能体现出该类岩爆的发生条件。因此，采用贴合工程实际的试验方法是实验室研究滑移型岩爆机理的前提。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法，所述方法基于岩石双结构面直剪试验，通过声发射信号监测研究滑移型岩爆机理，为目前实验室中模拟岩爆预警提供新思路和方法。本发明采用的技术方案为：

一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法，包括以下步骤：

步骤一：制作方形断面的岩石试样；

步骤二：将所述岩石试样在巴西劈裂条件下依次生成双平行结构面；

步骤三：对所述双平行结构面分别进行3D扫描，获取双平行结构面的三维数字模型并计算双平行结构面的粗糙度；

步骤四：将双平行结构面岩石试样安放到剪切试验机上，并在岩石试样底部侧面安装声发射监测探头，对双平行结构面岩石试样进行常法向应力条件下的直剪试验，同时监测岩石试件的声发射信号；

步骤五：汇总整理剪切试验过程中剪切时间、剪切应力、剪切位移、声发射信号数据，在 SHAPE\* MERGEFORMAT 此基础上分析该岩石试样发生滑移型岩爆的机理。

所述对双平行结构面岩石试样进行常法向应力条件下的直剪试验，即在垂直于双平行结构面方向施加恒定法向应力，在平行于双平行结构面方向采用恒定速率施加剪切力。

所述声发射信号包括撞击率、累积撞击率、能量率、累积能量率、b值。

本发明的有益效果为：本发明在实验室范围内采用常规直剪试验机，通过双平行粗糙结构面构建出结构面与岩石相互作用、相互影响的简化岩体系统，可以体现出在高应力状态下结构面滑动破坏与结构面间岩石破裂（即结构面贯通）的相互影响与转化规律，从而为滑移型岩爆的机理研究与预警预测提供更加可靠的实验方法。

附图说明

图1为本发明实施例1、实施例2中应用500KN岩石压力机对岩石试样劈裂生成双平行结构面的示意图，其中，1—岩石压力机、2—压力机法向应力压头、3—楔形劈裂钢垫块、4—岩石试样、5—岩石试样的双平行结构面、6—压力机伺服控制系统。

图2为本发明实施例1中对岩石试样双平行结构面其中的上部结构面扫描生成的三维数字模型，以及在此基础上切割生成的剖面线，其中，7—结构面三维数字模型，8—结构面三维数字模型沿剪切方向切割生成的用于计算该结构面粗糙度的剖面线。

图3本发明实施例1、2中应用的300KN直剪试验机的结构与工作原理示意图，其中4—岩石试样、5—岩石试样的双平行结构面、9—直剪试验机、10—直剪试验机法向应力压头、11—直剪试验机上部活动剪切压板、12—直剪试验机剪切应力压头、13—直剪试验机下部固定剪切压板、14—直剪试验机压力伺服控制与应力位移记录系统、15—声发射监测探头、16—声发射监测控制系统。

图4为本发明实施例1中岩石试样双平行结构面剪切破坏效果图，4—岩石试样，5-岩石试样的双平行结构面，17—岩石试样破坏产生的断裂裂纹。

图5为本发明实施例1的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射撞击率—时间曲线。

图6为本发明实施例1的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射能量率—时间曲线。

图7为本发明实施例1的岩石试样双平行结构面的剪切应力与累积声发射撞击数—时间曲线。

图8为本发明实施例1的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射累积能量—时间曲线。

图9为本发明实施例1的岩石试样双平行结构面的剪切应力与b值—时间曲线。

图10为本发明实施例2中对岩石试样双平行结构面其中的上部结构面扫描生成的三维数字模型，以及在此基础上切割生成的剖面线，其中，17—结构面三维数字模型，18—结构面三维数字模型沿剪切方向切割生成的用于计算该结构面粗糙度的剖面线。

图11为本发明实施例2中岩石试样双平行结构面剪切破坏效果图，4—岩石试样，5—岩石试样的双平行结构面。

图12为本发明实施例2的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射撞击率—时间曲线。

图13为本发明实施例2的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射能量率—时间曲线。

图14为本发明实施例2的岩石试样双平行结构面的剪切应力与累积声发射撞击数—时间曲线。

图15为本发明实施例2的岩石试样双平行结构面的剪切应力与声发射累积能量—时间曲线。

图16为本发明实施例2的岩石试样双平行结构面的剪切应力与b值—时间曲线。

具体实施方式

本发明实施选用的岩石压力机为东北大学自制500KN岩石压力机。

本发明实施选用的直剪试验机为东北大学自制300KN直剪试验机。

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

对花岗岩采用研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法，包括以下步骤：

步骤一：将花岗岩制作成方形断面的岩石试样，尺寸为100mm×100mm×140mm（长×宽×高）；

步骤二：将花岗岩试样在巴西劈裂条件下依次生成双平行结构面，结构面间距40mm，此时该花岗岩试样分成三块，厚度分别为50mm，40mm，50mm，如图1所示；

步骤三：对所述双平行结构面分别进行3D扫描，获取双平行结构面的三维数字模型，图2提供了双平行结构面的上部结构面的三维数字模型，在图2中沿剪切方向等间距切割10条剖面线，剖面线间距为9mm，依据公式[1]计算每条剖面线的坡度均方根Z₂值：

，[1]

[1]中，Z₂为每条剖面线的坡度均方根值，L为结构面剖面线的长度；i为节点序号；n为结构面剖面线的点数目；x_i与x_i+1分别为第i和i+1个节点的x轴坐标值，x_i+1-x_i表示剖面线的第i+1个点与第i个点之间的计算步长；y_i与y_i+1分别为第i和i+1个节点的y轴坐标值；然后，依据公式[2]计算每条剖面线的粗糙度（JRC），选取其中的最大值作为该结构面的粗糙度值：

JRC=32.2+32.47lgZ₂，[2]

[2]中，JRC为每条剖面线的粗糙度；

经计算，本实施例的花岗岩试样双平行结构面的上部、下部结构面粗糙度值分别为14.4和13.2；

依据公式[3]计算双平行结构面的峰值剪切强度；

，[3]

其中，τ为峰值剪切强度，σ_n为法向应力，JCS为结构面抗压强度，新鲜结构面可以等同于岩石单轴抗压强度；为岩石表面基本摩擦角。

经计算，上部、下部结构面的峰值剪切强度分别为11.3MPa和10.8MPa（该数据用于与试验数据作对比）；

步骤四：将双平行结构面花岗岩试样安放到剪切试验机上，并在花岗岩试样底部侧面安装4个声发射监测探头，底部前后侧面各2个，如图3所示，然后对双平行结构面花岗岩试样进行常法向应力条件下的直剪试验：将花岗岩试样下部固定，在垂直于结构面方向施加10MPa的恒定法向应力，同时在平行于结构面的方向上对花岗岩试样上部按照0.5mm/s的恒定速率施加剪切力，花岗岩试样破坏效果如图4所示，图4显示在高法向应力下结构面紧密咬合，破坏产生于岩石试样的中间夹层；同时监测岩石试件的声发射信号；

步骤五：汇总整理剪切试验过程中剪切时间、剪切应力、剪切位移、声发射信号（包括撞击率、累积撞击率、能量率、累积能量率、b值）数据，分别绘制花岗岩的剪切应力与声发射撞击率—时间曲线（图5）、剪切应力与声发射能量率—时间曲线（图6）、剪切应力与累积声发射撞击数—时间曲线（图7）、剪切应力与声发射累积能量—时间曲线（图8）、剪切应力与b值—时间曲线（图9）。图5~9表明，双结构面花岗岩试样的峰值剪切强度为9.6MPa，相比于依据公式3计算的两个结构面剪切强度结果：11.3MPa和10.8MPa，明显要低。原因在于，结构面间岩石的破坏，即结构面之间的贯通导致了岩石试件整体强度的降低，而通常的单结构面剪切试验未能考虑到这一因素。

此外，剪切应力与声发射信号的变化特征（图5~9）还显示，双结构面花岗岩试样突然破坏即滑移型岩爆发生时，声发射能量释放率最高（图6），因此，在较高应力状态下滑移型岩爆的发生机理可以认为是：结构面紧密咬合并持续积聚能量，最后导致岩石失稳破裂（结构面贯通）、能量突然释放而发生岩爆。而以下声发射信号特征可以作为花岗岩滑移型岩爆发生的预警信息：1.声发射撞击率明显下降，同时声发射累积撞击数表现为增长变缓；2.声发射能量率大幅上升，同时声发射累积能量突然增大；3.岩爆发生前b值小于1.3，上述三项指标可以作为花岗岩岩爆发生的预警信号。

实施例2

对花岗岩采用研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法，包括以下步骤：

步骤一：将花岗岩制作成方形断面的岩石试样，尺寸为100mm×100mm×140mm（长*宽*高）；

步骤二：将花岗岩试样在巴西劈裂条件下依次生成双平行结构面，结构面间距40mm，此时该花岗岩试样分成三块，厚度分别为50mm，40mm，50mm；

步骤三：对所述双平行结构面分别进行3D扫描，获取双平行结构面的三维数字模型，图10提供了双平行结构面的上部结构面的三维数字模型，在图10中沿剪切方向等间距切割10条剖面线，剖面线间距为9mm，依据公式[1]计算每条剖面线的坡度均方根Z₂值，并依据公式[2]计算每条剖面线的粗糙度（JRC），选取其中的最大值作为该结构面的粗糙度值，经计算，本实施例的岩石试样上部、下部结构面粗糙度值分别为12.6和12.3，上部、下部结构面的峰值剪切强度分别为6.0MPa和5.9MPa；

步骤四：将双平行结构面岩石试样安放到剪切试验机上，并在岩石试样底部侧面安装4个声发射监测探头，底部前后侧面各2个，其安装模式同图3所示，然后对双平行结构面岩石试样进行常法向应力条件下的直剪试验：将岩石试样下部固定，在垂直于结构面方向施加5MPa的恒定法向应力，同时在平行于双平行结构面方向上对岩石试样上部按照0.5mm/s的恒定速率施加剪切力；花岗岩试样破坏效果如图11所示，图11显示在低法向应力下岩石试样不会发生断裂破坏，而是沿着双平行结构面中粗糙度较小的结构面发生剪断滑移；同时监测岩石试件的声发射信号；

步骤五：汇总整理剪切试验过程中剪切时间、剪切应力、剪切位移、声发射信号（包括撞击率、累积撞击率、能量率、累积能量率、b值）数据，分别绘制剪切应力与声发射撞击率—时间曲线（图12）、剪切应力与声发射能量率—时间曲线（图13）、剪切应力与累积声发射撞击数—时间曲线（图14）、剪切应力与声发射累积能量—时间曲线（图15）、剪切应力与b值—时间曲线（图16）。图12~16表明，双结构面花岗岩试样的峰值剪切强度为5.9MPa，相比于依据公式3计算的两个结构面的剪切强度结果：6.0MPa和5.9MPa，与粗糙度较小结构面的峰值剪切强度值十分吻合。原因在于，法向应力较低的情况下，岩石本身没有断裂，岩石试件沿着两个结构面中粗糙度较小的剪断滑移，即此时的峰值剪切强度只取决于该粗糙度较小结构面的强度。

此外，剪切应力与声发射信号的变化特征（图12~16）显示，双结构面岩石试样突然滑移破坏，即滑移型岩爆发生时，声发射能量释放率最高。因此，在较低应力状态下滑移型岩爆的发生机理可以认为是：岩石沿着已有结构面剪断滑移，并在滑动过程中通过表面的凸起积聚能量，当主要凸起被剪断时能量突然释放，导致岩爆。而以下声发射信号特征可以作为滑移型岩爆发生的预警信息：1.声发射撞击率明显下降，同时声发射累积撞击数表现增长缓慢；2.声发射能量率大幅上升，同时声发射累积能量突然增大；3.岩爆发生前b值小于1.3，上述三项指标可以作为岩爆发生的预警信号。