[發明專利]一種聲發射與數值計算相結合的巖石破裂過程分析方法

有效

• 申請號: 201710319573.4
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107101887B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 魏炯;朱萬成;關凱;周靖人;劉溪鴿;牛雷雷;魏晨慧
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 俞魯江

本發明專利提出了一種聲發射與數值計算相結合的巖石破裂過程分析方法，將聲發射\微震監測與數值計算結合起來對巖石損傷與破裂過程進行分析。首先，利用聲發射\微震信息反演破裂源損傷尺寸和程度，對巖石的彈性模量和強度進行相應地弱化；然后將這些參數輸入數值模型之中，再進行數值計算分析。利用該方法，可以獲取真實應力場并有效預測巖石破裂模式。本發明為研究巖石損傷與破裂提供了一種精確可靠的新方法。

技術領域

本發明屬于采礦工程與巖石工程領域，介紹一種利用聲發射\微震監測與數值計算相結合的巖石破裂過程分析的方法。

背景技術

隨著地表資源日趨減少，深部開采已成為未來采礦發展的趨勢。在深部開采條件下，巖爆、塌方、冒頂、片幫等災害日趨凸顯，已經成為制約我國乃至世界深部礦產資源開采的一大瓶頸。因此，深入開展巖石損傷與破裂及其致災機理的研究，尋求有關失穩的前兆規律，對于確保礦山安全和穩定生產具有重要意義。

數值計算是研究巖石損傷與破裂常用的技術手段之一。但巖石是一種不同于其他固體的特殊材料，具有非均質、非連續、非彈性、非線性和各向異性。巖體性質的準確表征一直是數值計算模型的難點問題。目前，通常采用概率隨機分布描述巖石的非均勻性，然而，很少有文獻能說明這種方法能在多大程度上真實地體現巖石的非均質性。因此，需要發展一種新的巖體性質表征方法和思路。

巖石的損傷破裂不僅與其內部的結構和成分有關，而且更為重要的是與受載后的損傷演化過程直接相關。巖石的早期損傷分布多取決于初始的細觀結構，而后期的損傷則由前期損傷所引起的應力重分布決定。因此，忽略巖石真實細觀結構，重點關注巖石的損傷演化可能是一個解決巖石力學問題的新思路。

巖石類脆性材料在受力或變形時將釋放聲波和次聲波，它是脆性材料在變形破壞過程中伴隨著局部微破裂的出現而產生的彈性波。材料學家將這種現象稱之為聲發射；在工程巖體中，采礦工程師稱之為微震。巖石的聲發射活動反映了巖石內部的損傷演化狀況，但大部分研究僅限于定性評價。如何更有效地解讀和利用聲發射\微震數據以量化巖石的損傷并預測破壞依然是一個挑戰。

為此，本發明專利提出了一種聲發射\微震數據驅動的巖石損傷與破裂計算方法，將聲發射\微震監測與數值計算結合起來對巖石損傷與破裂過程進行分析。首先，利用聲發射\微震數據對巖體損傷進行定量表征，對巖石的彈性模量和強度進行相應地弱化；然后將這些參數輸入數值模型之中，再進行數值計算分析。利用該方法，可以獲取真實應力場并有效預測巖石破裂模式。

發明內容

本發明的目的是在于提出一種聲發射\微震與數值計算相結合的巖石破裂過程分析方法。具體技術方案如下：

一種聲發射與數值計算相結合的巖石破裂過程分析方法，步驟如下：

(1)選用一種巖石試件進行單軸壓縮試驗；

(2)采用聲發射技術監測其破壞過程，以巖石試件底部圓心作為坐標原點，確定8個傳感器位置為四個一組，每組設置在同一水平面上且均勻分布；

(3)將巖石試件放置于壓力機的承壓板間，先開始采集數據，再對上下承壓板施加壓力，直至試件破壞；

(4)基于聲發射數據的巖石損傷定量表征方法：

震源半徑方程為：

損傷變量D：

式中：σ_n表示垂直裂紋的應力，a表示裂紋長度的一半，E表示巖石的彈性模量，ν表示巖石的泊松比，γ表示單位面積表面能，E_k表示動能，E_i表示內能，E_a表示表面能，D損傷變量；

(5)基于數值計算的損傷模型：