声发射法三维地应力测试方法

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201610339088.9 

申 请 日：20160520 

发 明 人：张东明白鑫许江尹光志张先萌郑彬彬杨玉顺赵雪平贾同千樊增瑞 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400000 重庆市沙坪坝区正街174号 

公 开 日：20161012 

公 开 号：CN106018107A 

代 理 人：张小晓 

代理机构：北京一格知识产权代理事务所(普通合伙) 11316 

摘　　要：本发明公开了一种声发射法三维地应力测试方法，包括以下步骤：1)取样及加工；2)单轴声发射试验；3)绘制应力?累计声发射振铃计数?时间曲线；4)Kaiser效应点快速判别；5)计算地应力测点三维应力状态。本发明岩石试件取样方向角度灵活，Kaiser效应点识别快速简便，并减小了由于取样角度偏差所造成的地应力计算结果存在误差，还保证了原岩应力测试的准确性。 

主 权 项：一种声发射法三维地应力测试方法，其特征是：包括以下步骤：1)取样及加工在井下巷道或者隧道掌子面附近建立oxyz坐标系，采用地质罗盘测量其方向；在x方向、y方向、z方向、xy平面内、xz平面内以及yz平面内，向岩层内分别钻取岩芯若干；采用地质罗盘对每个取样点的方向进行测量并记录，要求取样深度为巷道或隧道宽度的2.5倍以上，岩芯直径至少满足50mm，长度至少满足100mm；对试件方向进行编号，包装后运回实验室，采用岩石切割机，端面磨床，精加工为φ50mm×100mm的圆柱体，上下端面平行度不低于0.05，风干采用保鲜膜包装保存待用；2)单轴声发射试验采用声发射测试装置及轴向加载试验装置，对各个方向的岩石试件进行单轴压缩破坏过程声发射测试试验；在试件靠近上端面1/3处粘贴1、2号通道声发射换能器，在靠近下端面1/3处粘贴3、4号通道声发射换能器；轴向应力加载方式采用位移控制，加载速度0.02mm/min；声发射系统设置门槛值为45dB；试验系统参数设置完成后，在试件上下端部均匀涂抹一层黄油，将试件放置在轴向加载装置上压头正中心，同时点击轴向加载装置和声发射仪，开始试验；3)绘制应力?累计声发射振铃计数?时间曲线试验后对各个方向岩石的力学性质进行统计；采用EXCEL绘图工具(或者Origin、MATLAB、SPSS等具有绘图功能的软件)，以时间为X轴，应力为Y₁轴，声发射累计振铃计数为Y₂轴，绘制各个方向岩石破坏过程中的应力?累计声发射振铃计数?时间曲线；4)Kaiser效应点快速判别(1)根据应力?累计声发射振铃计数?时间曲线，大概判断Kaiser效应点的时间区间：(2)采用式(1)对试验所得声发射实时计数进行处理得到Δt_i、τ_i；$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta t}}_i=t_i-t_{i-1}\\ k_i=\frac{A_i}{{\mathrm{\Delta t}}_i},{\tau }_i=\arctan k_i\end{array}\right.---\left(1\right)$式中：t_i、t_i?1为第i个声发射振铃与第i?1个声发射振铃所对应的时间，单位为秒；Δt_i为第i个声发射振铃与第i?1个声发射振铃的计数时差，单位为秒；A_i为t_i时岩石破坏产生的瞬时声发射计数，单位为个；K_i为累计声发射振铃计数?时间曲线在t_i时刻所对应的斜率，无单位；τ_i为AE累计计数?时间关系曲线的倾角，单位为度。综合Δt_i和τ_i两个参数变化情况，若在一个时间区间内同时满足Δt_i的值较小，波动幅度小，并且τ_i值接近于90°，则表明该时间区间的声发射频率较高，并且其累计AE计数增幅较大，符合Kaiser效应的定义，故可由Δt_i和τ_i综合判断Kaiser效应点的位置；(3)采用EXCEL绘图工具(或者Origin、MATLAB、SPSS等具有绘图功能的软件)，绘制Δt_i?τ_i?应力?时间关系曲线，由曲线可以看出随着轴向载荷的不断增加，岩石试件AE计数时差Δt_i以及AE累计计数?时间关系曲线的倾角τ_i呈波动趋势，且波动幅值与岩石的损伤破坏以及AE计数数量有密切关系，随着轴向载荷的持续加载，Δt_i的波动幅值逐渐缩小，Δt_i波动较小的时间区间所对应的τ_i值更加接近于90°；根据步骤(1)所确定的时间区间内找出Kaiser效应点；重复以上2)、3)、4)步骤，得到各个方向岩石试件的Kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，并记录；5)计算地应力测点三维应力状态采用下式(2)计算平面空间上的剪应力τ_xy、τ_xz、τ_yz：$\left\{\begin{array}{c}{\tau }_{xy}=\frac{{\sigma }_{x\theta y}-{\sigma }_x{\cos }^2\theta -{\sigma }_y{\sin }^2\theta }{2cos\theta ·sin\theta }\\ {\tau }_{xz}=\frac{{\sigma }_{x\gamma z}-{\sigma }_x{\cos }^{2}y-{\sigma }_z{\sin }^2\gamma }{2\cos \gamma ·sin\gamma }\\ {\tau }_{yz}=\frac{{\sigma }_{y\psi z}-{\sigma }_y{\cos }^2\psi -{\sigma }_z{\sin }^2\psi }{2cos\psi ·sin\psi }\end{array}\right.---\left(2\right)$式中：τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa；θ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz、σ_x、σ_y、σ_z为现场取样方向各个岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；采用下式(3)计算测点三维主应力大小：$\left\{\begin{array}{c}{\sigma }_1=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\sigma }_2=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+2\pi }{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\sigma }_3=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+4\pi }{3}+\frac{1}{3}{I}_1\end{array}\right.---\left(3\right)$式中：σ₁、σ₂、σ₃分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位MPa；w、P、I₁为计算参数，其中，w为反余弦函数计算结果，无单位；P单位为MPa²；I₁单位为MPa³，w、P、I₁采用下式(5)和(6)计算得到：$\left\{\begin{array}{c}w=\arccos (-Q/2\sqrt{-{\left(\frac{P}{3}\right)}^3})\\ P=-\frac{1}{3}{I}_1^2+I_2\\ Q=-\frac{2}{27}{I}_1^3+\frac{1}{3}{I}_1{I}_2-I_3\end{array}\right.---\left(5\right)$$\left\{\begin{array}{c}{I}_1={\sigma }_x+{\sigma }_y+{\sigma }_z\\ I_2={\sigma }_x{\sigma }_y+{\sigma }_x{\sigma }_z+{\sigma }_y{\sigma }_z-{\tau }_{xy}^2-{\tau }_{xz}^2-{\tau }_{yz}^2\\ I_3={\sigma }_x{\sigma }_y{\sigma }_z-{\sigma }_x{\tau }_{yz}^2-{\sigma }_y{\tau }_{zx}^2-{\sigma }_z{\tau }_{xy}^2+2{\tau }_{yz}{\tau }_{zx}{\tau }_{xy}\end{array}\right.---\left(6\right)$式中：I₁、I₂、I₃为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：MPa，MPa²，MPa³，为计算参数；τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa；σ_x、σ_y、σ_z为现场x、y、z取样方向岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；采用下式(7)进行测点三维主应力方向的计算：主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=B/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ n_i=C/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$其中：$\left\{\begin{array}{c}A={\tau }_{xy}{\tau }_{yz}-({\sigma }_y-{\sigma }_i){\tau }_{zx}\\ B={\tau }_{xy}{\tau }_{zx}-({\sigma }_x-{\sigma }_i){\tau }_{yz}\\ C=({\sigma }_x-{\sigma }_i)({\sigma }_y-{\sigma }_i)-{\tau }_{xy}^2\end{array}\right.,i=1,2,3.---\left(8\right)$主应力σ_i的倾角、方位角由式(9)计算：$\left\{\begin{array}{c}{\theta }_i=\arcsin n_i\\ {\beta }_i=\arcsin (m_i/\sqrt{1-n_i^2})\end{array}\right.---\left(9\right)$式中，θ_i为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，θ_i＞0为仰角，θ_i＜0为俯角；β_i为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，β_i＞0为反时针旋转角度，β_i＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角。 

关 键 词： 

法律状态：公开 

IPC专利分类号：G01N3/12(2006.01)I;G01L1/25(2006.01)I