一種反演巖石預(yù)制裂隙發(fā)育過程的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及巖石斷裂力學(xué)、礦山巖體變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種反演巖石預(yù)制 裂隙發(fā)育過程的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 裂隙巖體是一種內(nèi)部含有微裂紋、孔隙及節(jié)理裂隙等各種缺陷的材料，運(yùn)些缺陷 影響了巖體力學(xué)性質(zhì)及滲透特性。運(yùn)些性質(zhì)及特性的改變極大地影響著油、氣、煤等礦山資 源安全開采和地下空間工程安全應(yīng)用。因此，探尋巖石裂隙發(fā)育及裂紋傳播過程對(duì)有效改 變巖體力學(xué)性質(zhì)及滲透特性的關(guān)鍵。
[0003] 目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)觀測(cè)煤、巖裂隙發(fā)育過程研制了一些裝置及方法，專利 201410428556.0公開"一種礦井工作面頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞裂隙發(fā)育動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法"，該方法首 先對(duì)礦井工作面采動(dòng)圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬，得到塑性區(qū)的分布范圍，然后施工探測(cè)鉆孔，布設(shè) 電極、測(cè)線采集數(shù)據(jù)，最后使用ansys有限元法計(jì)算軟件對(duì)測(cè)得電性數(shù)據(jù)反演分析，此方法 是根據(jù)電性的變化判斷頂板裂隙發(fā)育，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，包括數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工、電法測(cè) 量和軟件反演四個(gè)流程，要求設(shè)備多。專利201510210401.4公開"一種煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育程 度的測(cè)定裝置W及測(cè)定方法"，該方法在不受采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)施工增透措施孔和注水測(cè)試孔， 然后向孔內(nèi)注水，若裂隙發(fā)育強(qiáng)度大，注水量大，水壓下降快，反之則相反，通過水流量和水 壓下降速度來評(píng)價(jià)煤層裂隙的發(fā)育程度的強(qiáng)弱。巖石裂隙發(fā)育后其電阻率、導(dǎo)水性能等發(fā) 生變化，現(xiàn)有的方法無論是通過紅外線福射監(jiān)測(cè)溫度、高密度電法測(cè)量電阻率還是通過測(cè) 量巖層鉆孔密封段水的漏失量反演裂隙發(fā)育，在一定程度上受環(huán)境因素、工程背景因素等 影響，運(yùn)些方法要求的設(shè)備多，流程多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互間影響多，因此，所測(cè)結(jié)果具有較大的 離散性，也無法直觀展現(xiàn)裂隙巖體裂紋擴(kuò)展的形態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種反演巖石裂隙發(fā)育過程的方法，該方法利用注色及借 助=維坐標(biāo)，對(duì)巖石裂隙發(fā)育測(cè)量準(zhǔn)確，并且可直觀的反演裂隙發(fā)育過程。
[0005] 其技術(shù)解決方案包括：
[0006] -種反演巖石預(yù)制裂隙發(fā)育過程的方法，依次包括W下步驟：
[0007] a制備巖石試件并預(yù)制裂隙，
[000引將石膏、娃藻±和水混合均勻攬拌成漿液，將該漿液引流至模具中誘筑成型，得巖 石試件，在該巖石試件上預(yù)制裂隙；
[0009] b準(zhǔn)備試驗(yàn)所需加壓裝置，
[0010] 所述加壓裝置包括密閉容器、位于所述密閉容器頂部和底部的加載壓頭，預(yù)制有 裂隙的巖石試件放置在所述密閉容器內(nèi)，所述密閉容器底部的兩端分別設(shè)置有注色入口和 注色出口；
[0011] C對(duì)預(yù)制有裂隙的巖石試件進(jìn)行加壓注色，所述加壓注色包括第一階段、第二階 段 第N階段，
[0012] 步驟1、第一階段:開啟加壓裝置，通過加載壓頭對(duì)預(yù)制有裂隙的巖石試件進(jìn)行加 載，加載過程中預(yù)制有裂隙的巖石試件開裂，加載一段時(shí)間后，停止加載保壓，從注色入口 注入A顏色染料，A顏色染料對(duì)已開裂的裂紋面著色，A顏色染料的注入時(shí)間為lOmin，注入完 成后將密閉容器內(nèi)的A顏色染料排出；
[0013] 步驟2、接著進(jìn)入第二階段，開啟加壓裝置對(duì)預(yù)制有裂隙的巖石試件進(jìn)行加載，加 載過程中預(yù)制有裂隙的巖石試件開裂，加載一段時(shí)間后，停止加載保壓，向注色入口注入B 顏色染料，B顏色染料對(duì)已開裂的裂紋面著色，B顏色染料的注入時(shí)間為lOmin，注入完成后 將加壓裝置內(nèi)的B顏色染料排出；
[0014] 步驟3、按照步驟1和步驟2的方式繼續(xù)加載注入C顏色染料、D顏色染料……直至完 成第N階段，得加載注色后的巖石試件；
[0015] d對(duì)加載注色后的巖石試件進(jìn)行預(yù)處理
[0016] 將加載注色后的巖石試件放置一段時(shí)間使染料變干，剝落該巖石試件表面殘留的 顏色層；
[0017] e在步驟d所得巖石試件表面打線，選取坐標(biāo)原點(diǎn)，建立Ξ維坐標(biāo)網(wǎng)格；
[0018] f將步驟d所得巖石試件按照順序切割成片，并對(duì)各個(gè)切片進(jìn)行擺序排放和標(biāo)注， 測(cè)量每個(gè)顏色坐標(biāo)的位置，利用Mat lab或CADS維軟件建立Ξ維圖形；
[0019] g導(dǎo)入獲得的坐標(biāo)值，連接相同顏色點(diǎn)坐標(biāo)形成線，將各階段的裂紋面填充不同顏 色，完成裂隙發(fā)育反演。
[0020] 作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，密閉容器為圓柱體，圓柱體的頂蓋和底蓋與加載壓 頭的面積相等。
[0021] 作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案，步驟e中，Ξ維坐標(biāo)網(wǎng)格是通過選擇巖石試件的一 角為坐標(biāo)原點(diǎn)，按照IcmX IcmX 1cm的網(wǎng)格劃分巖石試件而成的。
[0022] 優(yōu)選的，步驟a中巖石試件的尺寸為100mm X 100mm X 150mm。
[0023] 本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：
[0024] 本發(fā)明反演巖石預(yù)制裂隙發(fā)育過程通過注色原理，即通過對(duì)不同階段的裂紋面著 染不同顏色，辨識(shí)裂紋傳播路徑，該原理簡單易懂，實(shí)用簡便。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法主要有W下五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
[0026] (1)試驗(yàn)過程中預(yù)制有裂隙的試件在密封容器內(nèi)，避免了外部環(huán)境和工程背景對(duì) 數(shù)據(jù)的影響；（2)顏料的注入、排出通過注色入口和注色出口即可完成，相比傳統(tǒng)的紅外監(jiān) 巧。、注水等，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)設(shè)備更加簡單，設(shè)備種類也少；（3)通過對(duì)不同階段注入不同顏色可 W直觀展現(xiàn)試件內(nèi)部裂隙發(fā)展的過程(路徑、方向、深度）；（4)可W通過軟件導(dǎo)入坐標(biāo)即可 完成建模，模型建立簡單；（5)注色染料和試件材料便宜，試驗(yàn)成本低。
[0027] 本發(fā)明方法通過注色、網(wǎng)格劃分、切片、坐標(biāo)獲取、模型反演等過程，直觀展現(xiàn)了試 件內(nèi)部裂隙發(fā)育過程、程度。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明：
[0029] 圖1為預(yù)制有裂隙的巖石試件加載狀態(tài)示意圖；
[0030]圖2為巖石試件注入A中顏色(紅色)效果示意圖；
[0031 ]圖3為巖石試件注入B中顏色(綠色)效果示意圖；
[0032] 圖4為巖石試件注入C中顏色(藍(lán)色)效果示意圖；
[0033] 圖5為巖石試件注入D中顏色(紫色)效果示意圖；
[0034] 圖6為巖石試件網(wǎng)格坐標(biāo)系劃分示意圖；
[0035] 圖7為巖石試件第VI個(gè)切片圖；
[0036] 圖中，1、單軸壓力機(jī)，1.1、加載壓頭(頂部），1.2、加載壓頭(底部），1.3、框架，2、密 封容器，2.1、注色入口管，2.2、注色出口管，2.3、頂蓋，2.4、底蓋，3、預(yù)制有裂隙的巖石試 件，4、預(yù)置裂隙。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0038] 結(jié)合圖1所示，本發(fā)明的大體技術(shù)思想是:通過在自制的巖石試件上預(yù)制裂隙，然 后將它放置在密閉容器內(nèi)，通過加壓裝置如單軸壓力機(jī)1對(duì)其注壓，通過與密閉容器底部的 注色入口和注色出口連通的注色入口管2.1和注色出口管2.2來完成顏料的注入和排出，通 過注入時(shí)間等參數(shù)的控制來得到注色后巖石試件，然后結(jié)合本學(xué)科的理論知識(shí)展開分析研 究，為方便控制顏料的注入量，在注色入口管2.1和注色出口管2.2上均設(shè)置有閥口來調(diào)節(jié) 控制。
[0039] 本發(fā)明反演巖石預(yù)制裂隙發(fā)育過程的方法，不同于現(xiàn)有技術(shù)中的注水或通過溫度 來觀測(cè)，其是通過一種全新的方法注色來完成，下面對(duì)本發(fā)明主要改進(jìn)點(diǎn)之處做詳細(xì)說明。
[0040] 本發(fā)明巖石試件所采用的加壓裝置，可為單軸壓力機(jī)1，如圖1所示，單軸壓力機(jī)1 包括框架13、頂部加載壓頭1.1和底部加載壓頭1.2,頂部加載壓頭1.1和底部加載壓頭1.2 與相應(yīng)的動(dòng)力加載裝置連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉容器的頂蓋2.3和底蓋2.4進(jìn)行垂向加壓。
[0041] 本發(fā)明所用的巖石試件，是通過下述方法制備得到的：
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