一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法

摘要

本发明提供一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法，对爆破振动影响区域的岩体内部损伤程度进行测定，过程包括在以爆源为圆心等间距选定采样点。在采样点取岩石样本制备成岩石试件测试其单轴抗压强度、纵波波速、核磁共振数等，并依据岩石试件的力学性质制备力学性质容差范围在5～8％的混凝土试件，与岩石试件一起预埋至采样点。进行爆破振动数据采集。将岩石试件、混凝土试件再进行单轴抗压强度、声波波速测试，再根据核磁共振图像及横向弛豫时间得到爆破振动对岩石损伤增量的影响规律，从而判断岩石在不同振动作用的影响下损伤程度，指导爆破设计，达到低能耗、高效率爆破作业，减少爆破振动对非作业对象工程的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一项爆破领域中爆破振动对岩石损伤程度的测试及计算方法，特别是涉及一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法。

背景技术

随着研究的不断深入和人们的环保意识日益增强，伴随着爆破作业产生的爆破振动成为专家、学者关注的问题。研究爆破振动对岩石作用，不仅可以实现低能耗爆破作业，还可以有效降低振动作用对作业区周边建(构)筑物的影响。在新形势、新常态日益提高的环保要求下寻求爆破振动在岩石受体损伤增长量的表征手段具有十分重要的意义。费鸿禄等通过实地测量数据，分析并建立起损伤变化与爆破振动的对应关系研究了爆破振动对露天矿边坡的影响。朱传云等在《爆破引起岩体损伤的判别方法研究》中提出了爆破振动的损伤判别方法，以不同受损程度岩石的纵波速度大小作为衡量指标，建立岩体损伤度D、完整性系数K和声速降低率η之间的关系，现已成为业内普遍认同的判定方式。

目前在爆破振动对岩石损伤的研究中，闫长斌等以爆破作用次数多少来表征爆破作用对岩石累积损伤的影响变化，对于爆破振动对岩石损伤增量具体的影响变化未作出细致描述，缺少了对等效能量各个影响因素，如振动波幅值、频率等等效的分析，这便会使爆破作业走向精准化、精细化的道路出现理论支撑上的欠缺。

建立爆破振动对岩石损伤增量测定方法，结合地质勘察部门所给出的实地工程资料合理选定爆破参数进行作业。不仅可以进一步对爆破振动作用进行研究，同时对爆破作业走向精准化、精细化也有显著的推动作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法，可以对爆破作用影响区域的岩石损伤程度进行预判，并以岩石在不同爆破药量影响下损伤程度作为参考指标，指导优化爆破作业，达到低能耗、高效率，有效减少爆破振动对非工程区域的影响，延长工程使用寿命的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法，包括如下步骤：

1)在实地检测的岩体处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点5～8个，在每一个采集点处钻取直径50～100mm，长度150～250mm且岩体裂隙宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本2～3个，并编号；

2)在每一个采集点钻取的试样中，取一个岩石试件进行声波检测，记录岩石试件纵波速度v_p；对该岩石试件进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取6～12个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；对该岩石试件进行强度测试，获取岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c；

3)根据所取得的各采集点岩石试件力学性质参数，依相似原理，制备与岩石试件各性质参数容差范围在5～8％的混凝土试件，再进行力学性质测试，记录混凝土试件各力学参数；

4)依标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋在钻孔中，并采用水泥压密灌浆胶结方法与岩体胶结固定为一体，灌浆压力为0.3～0.4MPa；

5)将爆破振动测试仪放置于钻孔处，对传感器进行固定处理，测得该测点爆破振动作用的时间t、频率f和质点振动速度v；

6)在每次爆破作业测得振动数据后取出一组预埋岩石和混凝土试件，并对试件进行力学性质测试，检测受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振图像及横向弛豫时间T₂、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c；

7)再逐一取出所有预埋岩石试件及混凝土试件并依次完成振动数据采集；

8)按取出预埋混凝土及岩石试件顺序，结合所采集数据进行数据匹配；通过核磁共振数据分析爆破作用后岩石及混凝土试件微观变化特征，建立试件核磁共振横向弛豫时间与对应爆破作用药量Q的匹配关系为：

其中a，b分别为基于爆破振动数据匹配结果的二次项、一次项拟合修正系数；C₁为基于拟合关系常数，C₂为幂指关系系数，C₃为核磁共振横向弛豫时间与对应爆破作用药量指数项拟合调整常数；

定义强度表征数α＝lnR_cv_p，依据每次测得的v_p、R_c对应计算出强度表征数，并最终形成爆破振动对岩石损伤影响趋势分析体系。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明为通用岩体损伤程度测试方法，可操作性强。以爆源为圆心、等间距的方式采集岩石试件，一定程度上可以补充完善地质资料，有利于分析及参数选定。

(2)本发明采用逐次取回预埋岩石及混凝土试件的操作方式，避免了反复人工取样对试件的扰动，数据可靠。

(3)本发明将微观表征数据与试件各物理量及爆破振动作用建立起动态体系，可用于指导爆破优化。

附图说明

图1为本发明方法岩石试件采集及预制试件预制布置方案。

图中：1、2、3、4、5为取样及振动数据采集点，L为采集点间隔距离。

图2为本发明测定方法测定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种基于核磁共振计算爆破作用下岩体损伤程度的方法，包括如下步骤：

1)在实地检测的岩体处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点5～8个，在每一个采集点处钻取直径50～100mm，长度150～250mm且岩体裂隙宏观宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本2～3个，并编号，加工成岩石试件；

2)在每一个采集点钻取的试样中，取一个岩石试件进行声波检测，记录岩石试件纵波速度v_p；对该岩石试件饱和预处理后进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取6～12个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；对该岩石试件进行强度测试，获取岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c；

3)根据所取得的各采集点岩石试件力学性质参数，依相似原理，制备与岩石试件各性质参数容差范围在5～8％的混凝土试件，再进行力学性质测试，记录混凝土试件各力学参数；

4)依标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋在钻孔中，并采用水泥压密灌浆胶结方法与岩体胶结固定为一体，灌浆压力为0.3～0.4MPa；

5)将爆破振动测试仪放置于钻孔处，并根据爆破振动测试仪操作步骤对传感器进行固定处理，测得该测点爆破振动作用的时间t、频率f和质点振动速度v；

6)在每次爆破作业测得振动数据后取出一组预埋岩石和混凝土试件，并对试件进行力学性质测试，检测受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振图像及横向弛豫时间T₂、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c；

7)再逐一取出所有预埋岩石试件及混凝土试件并依次完成振动数据采集；

8)按取出预埋混凝土及岩石试件顺序，结合所采集数据进行数据匹配；通过核磁共振数据分析爆破作用后岩石及混凝土试件微观变化特征，建立试件核磁共振横向弛豫时间与对应爆破作用药量Q的匹配关系为：

其中a，b分别为基于爆破振动数据匹配结果的二次项、一次项拟合修正系数；C₁为基于拟合关系常数，C₂为幂指关系系数，C₃为核磁共振横向弛豫时间与对应爆破作用药量指数项拟合调整常数。

定义强度表征数α＝lnR_cv_p，依据每次测得的v_p、R_c对应计算出强度表征数，并最终形成爆破振动对岩石损伤影响趋势分析体系。

实施例1：

在待测花岗岩处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点6个，并钻取直径60±2mm，长度200±20mm，满足裂隙宏观宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本3个，作出标记。根据试验要求对岩石样本进行加工，制备成满足测试需求的岩石试件。

对所制备的花岗岩试件进行力学性质测试分析，具体步骤如下：

(1)采用RSM-SY6基桩声波检测仪对岩石试件进行初始声波检测，依次记录各采样点所制备岩石试件的纵波速度v_p；

(2)对岩石试件进行真空饱和作用处理后采用MacroMR核磁共振仪对岩石试件进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取8个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；

(3)采用压力试验机对岩石试件进行强度测试，得到岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c。

根据各岩石试件各个力学性质参数，依相似定理制备各性质参数相似的混凝土试件，对所制混凝土试件进行纵波波速测量、核磁共振测试及强度测试，完整记录混凝土各力学性质参数原始数据。

根据标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋于对应钻孔中，采用水泥压密灌浆胶结方法使之与岩体胶结固定为一体。

将调试好的TC4850爆破振动测试仪安置于钻孔处，并根据测振仪操作要领对传感器进行固定处理，启动测试仪测得爆破作用的振动作用时间t、频率f和质点振动速度v；

一次爆破作业结束并测得振动数据后，取出编号为1的预埋岩石试件和混凝土试件。对试件进行力学性质测试，测取受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振数据、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c。

再次进行爆破作业，作业结束取出编号为2的预埋岩石试件和混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试并记录对应数据。

如此逐一记录每一次爆破振动数据，并取出编号3、4、5、6所有预埋岩石试件及混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试。

完成上述操作结束测定方法整个数据采集过程。

匹配不同药量作用下与核磁共振横向弛豫时间之间的关系

计算强度表征数α＝lnR_cv_p。

通过核磁共振检测分析受爆破作用后，花岗岩及对应相似混凝土试件变化特征，拟合爆破作用对岩石损伤影响规律，进而指导爆破作业。

实施例2：

在待测千枚岩处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点5个，并钻取直径60±2mm，长度180±20mm，满足裂隙宏观宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本3个，作出标记。根据试验要求对岩石样本进行加工，制备成满足测试需求的岩石试件。

对所制备的千枚岩试件进行力学性质测试分析，具体步骤如下：：

(1)采用RSM-SY6基桩声波检测仪对岩石试件进行初始声波检测，依次记录各采样点所制备岩石试件的纵波速度v_p；

(2)对岩石试件进行真空饱和作用处理后采用MacroMR核磁共振仪对岩石试件进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取8个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；

(3)采用压力试验机对岩石试件进行强度测试，得到岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c。

根据各岩石试件各个力学性质参数，依相似定理制备各性质参数相似的混凝土试件，对所制混凝土试件进行纵波波速测量、核磁共振测试及强度测试，完整记录混凝土各力学性质参数原始数据。

根据标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋于对应钻孔中，采用水泥压密灌浆胶结方法使之与岩体胶结固定为一体。

将调试好的TC4850爆破振动测试仪安置于钻孔处，并根据测振仪操作要领对传感器进行固定处理，启动测试仪测得爆破作用的振动作用时间t、频率f和质点振动速度v；

一次爆破作业结束并测得振动数据后，取出编号为1的预埋岩石试件和混凝土试件。对试件进行力学性质测试，测取受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振数据、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c。

再次进行爆破作业，作业结束取出编号为2的预埋岩石试件和混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试并记录对应数据。

如此逐一记录每一次爆破振动数据，并取出编号3、4、5、6所有预埋岩石试件及混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试。

完成上述操作结束测定方法整个数据采集过程。

匹配不同药量作用下与核磁共振横向弛豫时间之间的关系

计算强度表征数α＝lnR_cv_p。

通过核磁共振检测分析受爆破作用后，千枚岩及对应相似混凝土试件变化特征，拟合爆破作用对岩石损伤影响规律，进而指导爆破作业。

实施例3：

在待测磁铁石英岩处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点5个，并钻取直径60±2mm，长度200±20mm，满足裂隙宏观宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本3个，作出处标记。根据试验要求对岩石样本进行加工，制备成满足测试需求的岩石试件。

对所制备的磁铁石英岩试件进行力学性质测试分析，具体步骤如下：

(1)采用RSM-SY6基桩声波检测仪对岩石试件进行初始声波检测，依次记录各采样点所制备岩石试件的纵波速度v_p；

(2)对岩石试件进行真空饱和作用处理后采用MacroMR核磁共振仪对岩石试件进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取8个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；

(3)采用压力试验机对岩石试件进行强度测试，得到岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c。

根据各岩石试件各个力学性质参数，依相似定理制备各性质参数相似的混凝土试件，对所制混凝土试件进行纵波波速测量、核磁共振测试及强度测试，完整记录混凝土各力学性质参数原始数据。

根据标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋于对应钻孔中，采用水泥压密灌浆胶结方法使之与岩体胶结固定为一体。

将调试好的TC4850爆破振动测试仪安置于钻孔处，并根据测振仪操作要领对传感器进行固定处理，启动测试仪测得爆破作用的振动作用时间t、频率f和质点振动速度v；

一次爆破作业结束并测得振动数据后，取出编号为1的预埋岩石试件和混凝土试件。对试件进行力学性质测试，测取受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振数据、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c。

再次进行爆破作业，作业结束取出编号为2的预埋岩石试件和混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试并记录对应数据。

如此逐一记录每一次爆破振动数据，并取出编号3、4、5、6所有预埋岩石试件及混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试。

完成上述操作结束测定方法整个数据采集过程。

匹配不同药量作用下与核磁共振横向弛豫时间之间的关系

计算强度表征数α＝lnR_cv_p。

通过核磁共振检测分析受爆破作用后，磁铁石英岩及对应相似混凝土试件变化特征，拟合爆破作用对岩石损伤影响规律，进而指导爆破作业。

实施例4：

在待测绿泥岩处以爆源为圆心、等间距选定岩石样本采集点5个，并钻取直径60±2mm，长度180±20mm，满足裂隙宏观宽度不超过0.5mm，裂缝深度小于直径的2％的岩石样本3个，作出标记。根据试验要求对岩石样本进行加工，制备成满足测试需求的岩石试件。

对所制备的绿泥岩试件进行力学性质测试分析，具体步骤如下：：

(1)采用RSM-SY6基桩声波检测仪对岩石试件进行初始声波检测，依次记录各采样点所制备岩石试件的纵波速度v_p；

(2)对岩石试件进行真空饱和作用处理后采用MacroMR核磁共振仪对岩石试件进行核磁共振测试，沿试件轴向等间距获取8个核磁共振成像图及横向驰豫时间T₂；

(3)采用压力试验机对岩石试件进行强度测试，得到岩石试件的弹性模量E及单轴抗压强度R_c。

根据各岩石试件各个力学性质参数，依相似定理制备各性质参数相似的混凝土试件，对所制混凝土试件进行纵波波速测量、核磁共振测试及强度测试，完整记录混凝土各力学性质参数原始数据。

根据标记将岩石试件回放至钻孔中，同时将所制备的混凝土试件预埋于对应钻孔中，采用水泥压密灌浆胶结方法使之与岩体胶结固定为一体。

将调试好的TC4850爆破振动测试仪安置于钻孔处，并根据测振仪操作要领对传感器进行固定处理，启动测试仪测得爆破作用的振动作用时间t、频率f和质点振动速度v；

一次爆破作业结束并测得振动数据后，取出编号为1的预埋岩石试件和混凝土试件。对试件进行力学性质测试，测取受爆破振动作用后的岩石试件及混凝土试件核磁共振数据、纵波速度v_p、弹性模量E及单轴抗拉强度R_c。

再次进行爆破作业，作业结束取出编号为2的预埋岩石试件和混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试并记录对应数据。

如此逐一记录每一次爆破振动数据，并取出编号3、4、5、6所有预埋岩石试件及混凝土试件，进行与编号1预埋试件相同的测试。

完成上述操作结束测定方法整个数据采集过程。

匹配不同药量作用下与核磁共振横向弛豫时间之间的关系

计算强度表征数α＝lnR_cv_p。

通过核磁共振检测分析受爆破作用后，绿泥岩及对应相似混凝土试件变化特征，拟合爆破作用对岩石损伤影响规律，进而指导爆破作业。