[发明专利]基于页岩纳米压痕曲线评价微观结构的方法和电子设备

说明书

本发明涉及基于页岩纳米压痕曲线评价微观结构的方法和电子设备，所述方法包括如下步骤：获取页岩表面纳米压痕点的位移载荷曲线；根据位移载荷曲线计算力学评价值；根据所述位移载荷曲线的形态以及所述力学评价值确定页岩的微观结构。本发明的方法，只需要利用纳米压痕技术获取位移载荷曲线，并根据位移载荷曲线的特征评价压痕点的微观结构与矿物组成，而不需要采用其他的微观测试技术。本发明无需人工锁定压痕点，解决了现有技术中当压痕点随机分布，无法直接通过EDS和SEM等与压痕点对应推出微观结构的问题。

技术领域

本发明涉及隧道工程技术及矿山安全开采技术领域，尤其涉及一种基于页岩纳米压痕曲线评价微观结构的方法和电子设备。

背景技术

页岩作为一种特殊的软岩，容易破碎、泥化，加之矿产资源开采逐渐向深部发展，地质构造环境复杂，取芯作业变得十分困难，也就难以通过传统的室内试验获取页岩岩石力学参数。此外，页岩发育多尺度的孔隙及微裂缝，微观结构复杂，且矿物组成多样，有必要从微观尺度对页岩的岩石力学变形及破坏特征进行分析，对页岩油气开采、边坡稳定及隧道支护等领域具有重要意义。纳米压痕技术借助压头对微小区域的加载-卸载可测得岩石的弹性模量、硬度、断裂韧性及强度等参数，特别适用于小体积样品的测试。近年来，纳米压痕技术作为一种获取材料微观物理力学性能的测试方法，具有操作简单、成本低、准确度高、样品消耗少等优点，已被广泛应用于微观岩石力学的研究中。

目前，采用纳米压痕技术获取页岩岩石力学参数，需要依靠一系列的微观观测手段，如场发射扫描电镜（SEM）、扫描电镜矿物定量评价（Qemscan）及X射线能谱分析（EDS）等，来辅助识别、确定压痕区域的矿物分布、孔隙及裂缝等微观结构特征。然而，这些微观测试技术操作复杂，成本高。而且由于纳米压痕点尺度处于微纳米级别，人工锁定压痕点的位置耗时长，难以满足现场施工过程中的实时监测分析需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。

本发明一方面提供了一种基于页岩纳米压痕曲线评价微观结构的方法，包括：

获取页岩表面纳米压痕点的位移载荷曲线；

根据所述位移载荷曲线计算力学评价值，所述力学评价值为页岩的接触硬度与折算弹性模量的比值；

根据所述位移载荷曲线的形态以及所述力学评价值确定页岩的微观结构。

优选地，所述获取页岩表面纳米压痕点的位移载荷曲线包括：

将页岩样品切至合适大小并对合适层理面进行抛光后，放置于纳米压痕仪上，保证压头位移方向与样品层理垂直；

利用纳米压痕仪向页岩表面选择的压痕点施加随时间均匀增加的载荷，到最高点时保持载荷设定的时间，之后卸载，利用此过程中的系列位移载荷时间数据绘制位移载荷曲线。

优选地，所述页岩表面的压痕点按照如下方法选择：

在所述页岩样品表面选取两个正方形点阵作为压痕点。

优选地，所述根据所述位移载荷曲线计算力学评价值，采用如下公式：

力学评价值

其中，为接触刚度，为载荷，为压入深度，为最大压入深度，为常数0.75，为接触投影面积，为接触深度，为折算弹性模量，为与压头几何形状相关的常数，为接触硬度。

优选地，根据所述位移载荷曲线的形态以及所述力学评价值确定页岩的微观结构，包括：

若加载曲线为平台型，则压痕点表面具有裂缝；