本發(fā)明屬于采礦工程與巖石工程領(lǐng)域，介紹一種利用聲發(fā)射\微震監(jiān)測與數(shù)值計算相結(jié)合的巖石破裂過程分析的方法。

背景技術(shù)：

隨著地表資源日趨減少，深部開采已成為未來采礦發(fā)展的趨勢。在深部開采條件下，巖爆、塌方、冒頂、片幫等災(zāi)害日趨凸顯，已經(jīng)成為制約我國乃至世界深部礦產(chǎn)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(zāi)機理的研究，尋求有關(guān)失穩(wěn)的前兆規(guī)律，對于確保礦山安全和穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

數(shù)值計算是研究巖石損傷與破裂常用的技術(shù)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(zhì)、非連續(xù)、非彈性、非線性和各向異性。巖體性質(zhì)的準確表征一直是數(shù)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(xiàn)巖石的非均質(zhì)性。因此，需要發(fā)展一種新的巖體性質(zhì)表征方法和思路。

巖石的損傷破裂不僅與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)，而且更為重要的是與受載后的損傷演化過程直接相關(guān)。巖石的早期損傷分布多取決于初始的細觀結(jié)構(gòu)，而后期的損傷則由前期損傷所引起的應(yīng)力重分布決定。因此，忽略巖石真實細觀結(jié)構(gòu)，重點關(guān)注巖石的損傷演化可能是一個解決巖石力學(xué)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(xiàn)而產(chǎn)生的彈性波。材料學(xué)家將這種現(xiàn)象稱之為聲發(fā)射；在工程巖體中，采礦工程師稱之為微震。巖石的聲發(fā)射活動反映了巖石內(nèi)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(fā)射\微震數(shù)據(jù)以量化巖石的損傷并預(yù)測破壞依然是一個挑戰(zhàn)。

為此，本發(fā)明專利提出了一種聲發(fā)射\微震數(shù)據(jù)驅(qū)動的巖石損傷與破裂計算方法，將聲發(fā)射\微震監(jiān)測與數(shù)值計算結(jié)合起來對巖石損傷與破裂過程進行分析。首先，利用聲發(fā)射\微震數(shù)據(jù)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(yīng)地弱化；然后將這些參數(shù)輸入數(shù)值模型之中，再進行數(shù)值計算分析。利用該方法，可以獲取真實應(yīng)力場并有效預(yù)測巖石破裂模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提出一種聲發(fā)射\微震與數(shù)值計算相結(jié)合的巖石破裂過程分析方法。具體技術(shù)方案如下：

一種聲發(fā)射與數(shù)值計算相結(jié)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(fā)射技術(shù)監(jiān)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(shè)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(shù)據(jù)，再對上下承壓板施加壓力，直至試件破壞；

(4)基于聲發(fā)射數(shù)據(jù)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：σn表示垂直裂紋的應(yīng)力，a表示裂紋長度的一半，e表示巖石的彈性模量，v表示巖石的泊松比，γ表示單位面積表面能，ek表示動能，ei表示內(nèi)能，ea表示表面能，d損傷變量；

(5)基于數(shù)值計算的損傷模型：

單元的損傷變量d按照如下關(guān)系給出：

εt0和εc0分別是當單元發(fā)生拉伸損傷和剪切損傷時對應(yīng)的最大拉伸主應(yīng)變和最大壓縮主應(yīng)變，ε1和ε3分別是第一、第三主應(yīng)變，n是表示單元損傷演化的系數(shù)；

單元的彈性模量按照如下關(guān)系式給出：e＝(1-d)e0

e0和e分別為損傷前和損傷后的彈性模量；

單元的強度也按如上關(guān)系給出：σs＝(1-d)σs0

其中σs0和σs分別為損傷前和損傷后的單元強度。

(6)按基于聲發(fā)射數(shù)據(jù)的巖石損傷定量表征方法分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演巖石的損傷半徑和損傷程度；利用式

e＝(1-d)e0和σs＝(1-d)σs0對巖石的彈性模量和強度進行相應(yīng)地弱化；

(7)將聲發(fā)射反演損傷作為巖石初始條件，按基于數(shù)值計算的損傷模型進行數(shù)值計算，即可得到巖石的最終破裂模式。

本發(fā)明改變了傳統(tǒng)采用地震學(xué)理論反演室內(nèi)試驗和工程尺度破裂源尺寸的不恰當方法，提出了新的小尺度破裂源損傷范圍和程度反演方法；突破了過去傳統(tǒng)分別單獨采用聲發(fā)射\微震監(jiān)測和數(shù)值計算分析巖石損傷與破裂的研究方法，將聲發(fā)射\微震監(jiān)測與數(shù)值計算結(jié)合起來對巖石損傷與破裂過程進行分析。本發(fā)明為研究巖石損傷與破裂提供了一種精確可靠的新方法。

附圖說明

圖1為傳感器布置示意圖，圖中標號說明：1-1號傳感器；2-2號傳感器；3-3號傳感器；4-4號傳感器；5-5號傳感器；6-6號傳感器；7-7號傳感器；8-8號傳感器；x-x坐標；y-y坐標；z-z坐標。

圖2-1為巖石損傷結(jié)果分布圖，圖2-2為基于聲發(fā)射數(shù)據(jù)的反演損傷分布圖；

圖3-1為巖石最終破裂模式室內(nèi)試驗結(jié)果示意圖，圖3-2為巖石最終破裂模式數(shù)值模擬結(jié)果示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合圖和具體實施過程對本發(fā)明做進一步詳細說明：

本發(fā)明的原理如下：

(1)基于聲發(fā)射監(jiān)測的損傷模型

在聲發(fā)射數(shù)據(jù)驅(qū)動模型中，假設(shè)每一個聲發(fā)射事件對應(yīng)一個裂紋。裂紋的長度等于聲發(fā)射破裂源尺寸，即損傷區(qū)范圍。一般認為聲發(fā)射源破裂尺寸與其能量密切相關(guān)。破裂尺寸越大，釋放的能量越大。微震和聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理通常借鑒地震學(xué)理論。地震學(xué)中的一個基本假設(shè)就是，巖石斷裂是由剪切錯動引起的。一個常用的源模型就是brune模型，它假設(shè)震源為一個半徑為r0的圓形斷層面。震源半徑可以通過以下公式計算

其中為cs介質(zhì)橫波波速，fc為橫波拐角頻率。但是，根據(jù)剪切模型得到的源尺寸非常大，與現(xiàn)場觀測結(jié)果嚴重不符。造成這種結(jié)果的原因有兩點：一是因為室內(nèi)和現(xiàn)場聲發(fā)射事件與天然地震的產(chǎn)生機理不同。天然地震是由斷層剪切錯動引起的，而室內(nèi)和現(xiàn)場的巖石破裂以拉伸裂紋為主，且裂紋擴展方向與最大壓應(yīng)力方向平行。這個觀點已經(jīng)被許多研究者證實。另一個原因是剪切模型忽略了材料斷裂表面能，不符合能量守恒定律。事實上，斷裂表面能是巖石破裂過程中能量消耗的重要組成部分，其量級可能遠遠大于聲發(fā)射事件能量。

因此，將地震學(xué)和斷裂力學(xué)相結(jié)合，蔡明等提出了一種基于拉伸破壞和能量守恒的聲發(fā)射源尺寸估計新模型。通過與現(xiàn)場觀測進行對比，該方法得到的源尺寸更加合理。該模型假定拉伸斷裂為巖石的主要失效機制，并且測得的聲發(fā)射能量為總能量的一部分，它等于彈性應(yīng)變能變化與表面能之差。忽略溫度影響，熱力學(xué)第一定律可以表示為：

ei＝ea+ed+ek(2)

式中ei表示內(nèi)能，ea表示表面能，ed表示耗散能，ek表示動能。內(nèi)能為彈性應(yīng)變能，一般認為是驅(qū)動巖石破裂的能量來源；當新的表面產(chǎn)生時，表面能將發(fā)生改變，它是裂紋擴展的最重要阻力；耗散能形式是多樣的，但主要是塑性變形和滑動摩擦；動能是由于材料速度產(chǎn)生的。唐春安認為巖石細觀非均勻性是造成其宏觀非線性的根本原因，巖石性質(zhì)在細觀單元上表現(xiàn)為彈脆性。而且，一般為聲發(fā)射是彈性應(yīng)變能的釋放造成的，這意味著聲發(fā)射源應(yīng)該是彈脆性的。因此，耗散能可以忽略

ei＝ea+ek(3)

巖石儲存的內(nèi)能，可根據(jù)下式計算：

其中，σn表示垂直裂紋的應(yīng)力，a表示裂紋長度的一半，e表示巖石的彈性模量，v表示巖石的泊松比。表面能表達式為

其中γ表示單位面積表面能，kic表示i型裂紋斷裂韌度。因此，震源半徑方程為

假定巖石的損傷程度與其能量變化密切相關(guān)。斷裂表面能是阻礙巖石斷裂的主要因素，其大小表征了巖石損傷程度的強弱。因此，定義了損傷變量d

(2)基于數(shù)值計算的損傷模型

假設(shè)巖體是理想彈性體，不會產(chǎn)生塑性變形，則滿足如下運動微分方程：

式中，g表示剪切模量(pa)；v表示泊松比；ui(i＝x,y,z)表示位移(m)；t表示時間(s)；fi表示i方向體力分量(n/m³)；ρ表示巖體密度。

采用最大拉應(yīng)力準則和莫爾庫倫準則作為破壞判斷準則，可分別表達為：

則當介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)滿足了最大拉應(yīng)力準則和莫爾庫倫準則時，其分別發(fā)生拉伸損傷和剪切損傷，即：

f1＝0或f2＝0(10)

其中，ft0和fc0分別是單元的單軸抗拉和單軸抗壓強度，σ1和σ3分別是第一、第三主應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角。f1和f2是兩個表示應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，其數(shù)值大于零表示介質(zhì)分別發(fā)生了拉伸和剪切損傷。這里需要說明的是，在任何受力條件下，拉伸損傷是優(yōu)先判斷的。當(10)式滿足時，單元的損傷變量d按照如下關(guān)系給出：

這里εt0和εc0分別是當單元發(fā)生拉伸損傷和剪切損傷時對應(yīng)的最大拉伸主應(yīng)變和最大壓縮主應(yīng)變，ε1和ε3分別是第一、第三主應(yīng)變，n是表示單元損傷演化的系數(shù)。

(3)損傷對巖石力學(xué)參數(shù)的影響

按照彈性損傷理論，單元的彈性模量按照如下關(guān)系式給出：

e＝(1-d)e0(12)

其中e0和e分別為損傷前和損傷后的彈性模量。這里假定損傷及其演化都是各向同性的，故e、e0和d都是標量。

同理，單元的強度(單軸抗壓強度和抗拉強度)也按如上關(guān)系給出：

σs＝(1-d)σs0(13)

其中σs0和σs分別為損傷前和損傷后的單元強度。這里假定損傷及其演化都是各向同性的，故e、e0、σs、σs0和d都是標量。

具體操作步驟如下：

(1)選用一種巖石進行單軸壓縮試驗。單軸壓縮試件直徑50mm，高度100mm，嚴格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(isrm)建議方法進行加工。

(2)采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)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(見圖1)。

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

(4)按基于聲發(fā)射數(shù)據(jù)的巖石損傷定量表征方法分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演巖石的損傷半徑和損傷程度；利用式

e＝(1-d)e0(12)

和

σs＝(1-d)σs0(13)

對巖石的彈性模量和強度進行相應(yīng)地弱化(見圖2-1、圖2-2)。

(5)將聲發(fā)射反演損傷作為巖石初始條件，按基于數(shù)值計算的損傷模型中的公式(8-13)進行數(shù)值計算，即可得到巖石的最終破裂模式(見圖3-1、圖3-2)。