[发明专利]基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法

说明书

本发明涉及岩石物理力学性质测试技术领域，公开了一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，包括以下步骤：对标准岩石试件进行纵波波速测试，在标准岩石试件上布置声发射传感器，对标准岩石试件进行分级蠕变破坏声发射震源定位试验，计算得到各个声发射声发射震源对应的P波到时与初动振幅，对各个声发射震源对应的矩张量进行求解，根据矩张量特征值对声发射震源进行分类，确定优势声发射震源，对各级优势声发射震源的绝对能量进行拾取，计算各级蠕变优势声发射震源的绝对能量平均值，绘制绝对能量平均值‑蠕变应力曲线，将绝对能量‑蠕变应力曲线上最低点与最低点之后第一个数据点对应的蠕变应力平均值作为岩石平均值为长期强度σ_∞。

技术领域

本发明涉及岩石物理力学性质测试技术领域，特别涉及一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法。

背景技术

岩石蠕变表征的是在某一恒定的荷载作用下岩石变形随时间增大的现象。工程实践表明：金属矿山地下开采过程中岩体的破坏与岩石蠕变性质密切相关，岩石蠕变性质是诱发金属矿山采场冒顶、采空区垮塌等典型灾害的主要因素之一。岩石的强度是随着荷载作用时间的增大而降低。岩石长期强度定义为荷载作用时间趋于无穷大时对应的强度最小值。因此，当蠕变应力小于长期强度σ_∞时岩石不发生蠕变破坏。当蠕变应力大于长期强度σ_∞时岩石最终将发生蠕变破坏。

目前确定岩石长期强度σ_∞主要分为直接法与间接法两类。直接法通过对一定数量的岩石试件进行不同蠕变应力条件的蠕变试验。在此基础上，将岩石不发生蠕变破坏时对应的最大蠕变应力作为长期强度σ_∞。由于该方法需对多个岩石试件进行蠕变，当蠕变应力略大于长期强度σ_∞，岩石破坏总历时可能为几个月甚至几年。因此，该方法存在试验历长的局限性。同时，岩石是非均质材料，即使是同一产地同一岩性的岩石其细观结构、构造也不尽相同，致使不同试件所得的长期强度σ_∞也存在一定的差异性。间接法通过对单个试件进行分级或多级加载蠕变试验。在此基础上，主要通过等时应力～应变曲线，或由等时应力～应变曲线族转换而成的等效应力松驰曲线来求解长期强度σ_∞，在一定程度上提高了试验效率。然而，岩石不仅是非均质材料，也是各向性质材料。因此，岩石轴向与横向蠕变特征具有相对明显的差异，单方向蠕变特征并不能代表岩石整体蠕变特征。同时，在选取相关曲线“拐点”时也存在一定的主观性与随意性。

岩石蠕变破坏其实质是微裂纹持续演化的结果。当蠕变应力小于岩石长期强度σ_∞时，蠕变应力不足于使岩石产生新的微裂纹，岩石微裂纹演化主要表现岩石内部原生微裂纹将随着蠕变时间的增长而逐步被压密，岩石不发生蠕变破坏。当蠕变应力大于岩石长期强度σ_∞时，此时蠕变应力已具备促使岩石产生新裂纹的能力，即随着蠕变时间的增长新生微裂纹将持续孕育、萌生、扩展与贯通，并最终导致岩石发生蠕变破坏。理论与实践表明：岩石微裂纹的演化过程中伴随着声发射现象，声发射震源时空演化规律与微裂纹演化活动接近。因此，通过研究声发射震源演化规律在一定程度上解译岩石蠕变细观机理。

现有技术存在的问题如下：

(1)直接法存在蠕变历时长，时效性差的局限性。

(2)间接法未充分考虑岩石轴向与横向蠕变特征具有相对明显的差异，单方向蠕变特征并不能代表岩石整体蠕变特征。同时，在选取相关曲线“拐点”时也存在一定的主观性与随意性。

发明内容

本发明提供一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，本发明尝试通过建立岩石蠕变破坏过程中微裂纹(声发射震源)演化特征与长期强度σ_∞的联系。在此基础上，提供了一个物理意义明确、易操作的岩石长期强度σ_∞确定方法。

本发明提供了一种基于优势声发射震源能量特征的岩石长期强度确定方法，包括以下步骤：