本發(fā)明涉及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，具體為一種基于三指標(biāo)的巖爆特征分析方法。

背景技術(shù)：

1、在開(kāi)采或施工等巖體工程逐步向深部推進(jìn)，由于高應(yīng)力、高地溫等多種因素的共同作用，工程災(zāi)害的頻發(fā)及其日益嚴(yán)重的致災(zāi)程度已成為制約工程安全與可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。巖爆，作為深部巖體工程中最為典型的能量釋放現(xiàn)象之一，其發(fā)生機(jī)理至今尚未完全明確。巖爆的發(fā)生往往伴隨著巖石不同程度的破壞，同時(shí)伴有大量具有顯著動(dòng)能的巖石碎塊(巖屑)的彈射或拋擲，這些碎塊不僅具有高度的突發(fā)性和強(qiáng)烈的破壞性，還直接威脅到施工人員的生命安全及工程設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2、為便于研究復(fù)雜的深部工程巖體災(zāi)害，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是深入探究巖石物理力學(xué)性質(zhì)、理解其在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的行為模式及破壞機(jī)制的重要手段。其中，單軸壓縮試驗(yàn)作為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)且關(guān)鍵的一環(huán)，通過(guò)模擬巖石在單一軸向壓力作用下的力學(xué)響應(yīng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及巖體穩(wěn)定性評(píng)估提供重要依據(jù)。在探究巖石動(dòng)力學(xué)災(zāi)害機(jī)理的過(guò)程中，針對(duì)巖石破壞程度或者說(shuō)巖爆發(fā)生的劇烈程度提出了一系列指標(biāo)，比如彈性能量指數(shù)、彈性能判據(jù)指標(biāo)、巖屑彈射初始動(dòng)能等。其中，彈性能量指數(shù)(wet)是一種巖爆傾向性分類指標(biāo)，它反映了巖石在加載至一定應(yīng)力水平后卸載過(guò)程中，彈性應(yīng)變能與塑性應(yīng)變能之間的比值；彈性能判據(jù)指標(biāo)(pes)是巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度以前所貯存的彈性能，為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的平方與兩倍的巖石卸載切線模量之比；巖屑彈射初始動(dòng)能(e0)反映了巖石破壞的劇烈程度和釋放的能量大小，指在巖石發(fā)生破壞時(shí)，從巖石母體中彈射出來(lái)的巖屑所具有的初始動(dòng)能。

3、同時(shí)，在進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，巖屑的收集與管理往往被忽視，但其重要性卻不容忽視。巖屑，作為巖石在受力破壞過(guò)程中產(chǎn)生的碎片，不僅攜帶著巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、裂紋擴(kuò)展路徑及破壞模式等關(guān)鍵信息，還直接反映了巖石的力學(xué)性能和破壞特征。因此，高效、精準(zhǔn)地收集巖屑，對(duì)于深入分析巖石的破壞機(jī)理、評(píng)估巖石的力學(xué)性質(zhì)及預(yù)測(cè)巖石的破壞行為具有重要意義。

4、雖然這三個(gè)指標(biāo)各自從不同角度反映了巖石的彈性應(yīng)變能變化、破壞傾向性和破壞時(shí)的能量釋放情況，但在判斷巖石破壞程度時(shí)，仍達(dá)不到一個(gè)普適性的效果，可以說(shuō)各有各的道理所在。此外，傳統(tǒng)的巖屑收集方法往往存在諸多不足，如巖屑混雜難以區(qū)分、人為誤差大等，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述存在的技術(shù)不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于三指標(biāo)的巖爆特征分析方法，適用于巖石力學(xué)試驗(yàn)中對(duì)巖樣破壞情況進(jìn)行有效評(píng)估，并同時(shí)做到巖石碎屑彈射飛出的有效接盛，按照特定需要的彈射距離分區(qū)域高效收集，提高巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于三指標(biāo)的巖爆特征分析方法，包括以下步驟：

4、步驟一、搭建巖屑收集裝置；通過(guò)mts液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖石的單軸壓縮加卸載試驗(yàn)，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

5、步驟二、根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算彈性能量指數(shù)wet、彈性能判據(jù)指標(biāo)pes和巖屑彈射初始動(dòng)能e0；

6、步驟三、采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析彈性能量指數(shù)wet、彈性能判據(jù)指標(biāo)pes和巖屑彈射初始動(dòng)能e0之間的相關(guān)性；

7、步驟四、使用隨機(jī)森林分析彈性能量指數(shù)wet、彈性能判據(jù)指標(biāo)pes和巖屑彈射初始動(dòng)能e0與巖石破壞狀態(tài)/程度之間的特征重要性，確定指標(biāo)權(quán)重；

8、步驟五、構(gòu)建線性回歸模型，得到普適的判別巖石爆炸程度的公式；

9、步驟六、使用spss進(jìn)行多元線性回歸分析，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)得出的普適公式進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)得到回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的分布直方圖以及回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的正態(tài)p-p圖。

10、優(yōu)選地，在步驟二中，彈性能量指數(shù)wet通過(guò)彈性變形能與永久變形耗散能的比值計(jì)算，計(jì)算式如下：

11、

12、式中，φc為總應(yīng)變能，φsp為彈性變形能，φst為塑性變形能，f(ε)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式，ε為應(yīng)變。

13、優(yōu)選地，在步驟二中，彈性能判據(jù)指標(biāo)pes為巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度前貯存的彈性能，計(jì)算式為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的平方與兩倍卸載切線模量之比，具體為：

14、

15、式中，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；es為巖石卸載切線模量。

16、優(yōu)選地，在步驟二中，以試樣高作為平拋計(jì)算初始高度，以每一分區(qū)的中心距試樣表面的距離作為平拋落點(diǎn)的水平距；根據(jù)稱量的質(zhì)量，采用平拋公式和動(dòng)能計(jì)算公式計(jì)算巖屑拋射的初速度v0：

17、

18、式中，h為巖屑初始距mts液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)的高度，g為重力加速度，t為巖屑平拋落入巖屑收集裝置的時(shí)間，v0為平拋初始拋射速度，x為巖屑落入巖屑收集裝置點(diǎn)距試樣的水平距離；

19、根據(jù)動(dòng)能計(jì)算公式計(jì)算出巖屑拋射的初始動(dòng)能e0：

20、

21、式中，h為巖屑初始距mts液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)的高度，g為重力加速度，t為巖屑平拋落入巖屑收集裝置的時(shí)間，v0為平拋初始拋射速度，x為巖屑落入巖屑收集裝置點(diǎn)距試樣的水平距離，e0為巖屑拋射的初始動(dòng)能。

22、優(yōu)選地，在步驟三中，彈性能量指數(shù)wet、彈性能判據(jù)指標(biāo)pes和巖屑彈射初始動(dòng)能e0之間的相關(guān)性，計(jì)算公式如下：

23、

24、式中，變量x和變量y是彈性能量指數(shù)wet、彈性能判據(jù)指標(biāo)pes、巖屑彈射初始動(dòng)能e0其中的任意兩個(gè)；xi和yi分別是變量x和變量y的觀測(cè)值，和分別是變量x和變量y的均值，n是觀測(cè)值的數(shù)量。

25、優(yōu)選地，在步驟五中，使用機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建線性回歸模型，獲得普適的判別巖石爆炸程度的公式。

26、優(yōu)選地，所述巖屑收集裝置包括支柱、支撐平臺(tái)、收集模塊和鋼圈；支柱固定在支撐平臺(tái)的底端面上；支撐平臺(tái)的中部設(shè)置有第一通孔；收集模塊鋪設(shè)在支撐平臺(tái)的上部；收集模塊的中部設(shè)置有與第一通孔對(duì)應(yīng)的第二通孔，第一通孔和第二通孔的軸線相重合；鋼圈安裝在收集模塊的上部；鋼圈的軸線和第一通孔的軸線相重合；鋼圈配置有多個(gè)；鋼圈設(shè)置在同一水平面內(nèi)，直徑自軸線處向外側(cè)逐漸增大，相鄰的兩個(gè)鋼圈之間的區(qū)域?yàn)榻邮^(qū)域；相鄰的兩個(gè)鋼圈之間固定設(shè)置有加強(qiáng)筋。

27、優(yōu)選地，還包括遮擋環(huán)；遮擋環(huán)套接在鋼圈的最外側(cè)，下端面與所述收集模塊相接觸；遮擋環(huán)和鋼圈之間通過(guò)加強(qiáng)筋固定連接。

28、優(yōu)選地，所述收集模塊包括搖粒絨布和魔術(shù)貼；所述第二通孔設(shè)置在搖粒絨布上；通過(guò)魔術(shù)貼將搖粒絨布安裝在所述支撐平臺(tái)上。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

30、本分析方法以巖石力學(xué)單軸壓縮試驗(yàn)為對(duì)象，計(jì)算不同巖石的彈性能量指數(shù)、彈性能判據(jù)指標(biāo)、巖屑彈射初始動(dòng)能。選用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性，使用隨機(jī)森林找尋三個(gè)指標(biāo)同破壞狀態(tài)/程度之間的特征重要性并確定各指標(biāo)所占權(quán)重，提出一個(gè)普適的判別巖石破壞程度或者說(shuō)是巖爆程度的公式，以指導(dǎo)巖石動(dòng)力學(xué)災(zāi)害防治工作。同時(shí)，本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種巖屑收集裝置，該裝置構(gòu)建基礎(chǔ)源自預(yù)實(shí)驗(yàn)階段對(duì)巖屑動(dòng)力學(xué)特性的精細(xì)捕捉。采用本發(fā)明的多區(qū)域分割式巖屑收集裝置，顯著提升了巖屑收集的效能與精確度，同時(shí)有效削弱了人為操作因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的潛在偏差。