本发明属于深部地下工程岩石力学非均质度特性测试领域，具体涉及一种基于声发射的岩石力学非均质度的测试评价方法。
背景技术：
非均质度是评价岩石材料强度、变形和自蓄能能力的重要指标，特别是对于深部地下工程领域而言，在不同的工程背景条件下，对于岩石材料的非均质度有不同的要求。如地下防冲击工程对岩石材料的要求为强度高但破坏的级联性要突出，这就要求岩石材料的非均质度突出，进而避免围岩出现岩爆动力破坏形式。
国内外对岩石非均质度的评价主要有岩心观测法，x-ct扫描法、测井识别法、铸体薄片法等。这些方法是采用微观组分去分析岩石的均质度，并未考虑岩石因组构差异带来的力学非均质度，从本质上看，岩石材料的力学非均质度才对地下工程围岩的宏观性状有更显著影响。
因此目前现有的方法对于岩石的非均质度评价并不全面，并且目前的岩石材料非均质评价方法如扫描电镜法，更多的是岩石细观结构的视觉非均质特征，而未深入去表征岩石的力学非均质度。然而，岩石的力学非均质度是影响岩石在具体工程中力学响应的主要因素。
技术实现要素：
针对现有的岩石非均质度评价方法无法深入表征岩石内部材料的力学非均质度问题，本发明旨在提供一种基于声发射的岩石力学非均质度的测试评价方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。
一种基于声发射的岩石力学非均质度测试评价方法，所述方法包括如下步骤：
s1.选择待测完整地层；
s2.对所述待测完整地层进行钻探获取岩芯柱；
s3.将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；
s4.在所述岩石试样两侧布置声发射传感器；
s5.在劈裂实验过程中记录所述声发射传感器测量的数据，根据记录的所述数据统计声发射信号事件数，根据所述声发射信号事件数计算总声发射事件数，和岩石试样的破裂成分占比系数；
s6.根据所述岩石试样的破裂成分占比系数，计算出所述岩石的非均质系数；
s7.由所述非均质系数来评价所述岩石的力学非均质度。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤s2具体为对所述待测完整地层进行垂直钻探取芯，连续取3～10根长度为20～30cm的所述岩芯柱。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤s3具体为对所有岩芯柱进行加工，得到直径为25～75mm，厚度为10～40mm的圆盘状的所述岩石试样。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤s4具体为对所述圆盘状岩石试样两侧各布置一个声发射传感器，用于监测所述岩石试样的声发射信号。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两个所述声发射传感器的谐振频率分别为60khz和150khz。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述声发射传感器和所述岩石试样的接触面处涂抹凡士林胶。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤s5具体为：
s51.对所述岩石试样进行劈裂实验，随着应力的改变，所述岩石试样沿其中轴线发生破坏，从而产生声发射信号，记录声发射传感器测量的数据；
s52.根据步骤s51记录的声发射传感器测量的数据，统计获得不同时间间隔下的声发射信号事件数；
s53.根据步骤s52获得的不同时间间隔下的所述声发射信号事件数，计算总声发射事件数及不同时间间隔下的岩石试样的破裂成分占比系数；
s54.根据步骤s53计算的所述岩石试样的破裂成分占比系数，计算出所述岩石非均质系数。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述岩石试样的破裂成分占比系数为所述不同时间间隔下的声发射信号事件数与所述总声发射事件数的比值。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述岩石非均质系数为所述岩石试样的破裂成分占比系数的标准差。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在0<所述岩石非均质系数≤5时，则所述岩石的力学非均质度被评价为良好；
在5<所述岩石非均质系数≤15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为中等；
在所述岩石非均质系数>15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为较差。
本发明的有益技术效果
本发明提供的实施例，用于对岩石的力学非均质度进行评价，本发明涉及一种基于声发射的岩石力学非均质度测试评价方法，首先，选择待测完整地层；其次，对所述待测完整地层进行钻探获取岩芯柱；再其次，将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；再其次，在所述岩石试样两侧布置声发射传感器；再其次，在劈裂实验过程中记录所述声发射传感器测量的数据，根据记录的所述数据统计声发射信号事件数，根据所述声发射信号事件数计算总声发射事件数和岩石试样的破裂成分占比系数；最后，由所述破裂成分占比系数来计算出岩石的非均质系数，使用所述岩石的非均质系数来评价所述岩石的力学非均质度。本发明在劈裂条件下根据非均质系数来获得岩石的力学响应非均质度特征，而且岩石试样制作方便，计算简单，实用性强，有助于定量评价岩石内部的非均质度，促进地下工程围岩质量的评价与分类。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明实施例中的声发射传感器在岩石试样上的布置示意图；
图2为本发明实施例中的岩石试样中横向拉应力等值线示意图；
图3为本发明实施例中的三块岩石试样的岩石试样的破裂成分占比系数示意图；
图4为本发明实施例中的评价方法步骤示意图。
其中，附图标记说明如下：
1岩石试样；2线形载荷施加装置；3声发射传感器；4防侧滑杆；5可沿防侧滑杆滑移的压头；6受压夹持弹簧。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明基于制得的圆盘状岩石试样在劈裂条件下，除岩石试样顶底部外在中轴线上拉应力相等的原理，如图2所示，提出本发明的评价方法。
为了更好的说明本发明，以花岗岩为实验对象，研究了3种不同变质程度下，花岗岩的岩石试样的破裂成分占比系数变化趋势。
如图4所示，一种基于声发射的岩石力学非均质度测试评价方法，包括以下步骤：
(1).选择待测完整地层；
(2).对所述待测完整地层进行钻探获取岩芯柱；
(3).将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；
(4).在所述岩石试样两侧布置声发射传感器；
(5).在劈裂实验过程中记录所述声发射传感器测量的数据，根据记录的所述数据统计声发射信号事件数，根据所述声发射信号事件数计算总声发射事件数和岩石试样的破裂成分占比系数；
(6).根据所述岩石试样的破裂成分占比系数，计算出所述岩石的非均质系数；
(7).由所述岩石的非均质系数来评价所述岩石的力学非均质度。
具体过程如下：
1.1岩石试样的选择和制作
(1)地层选择：选择深部待测完整地层作为将要钻孔取样的区域；
(2)岩芯钻探：对将要评价力学非均质度的待测完整地层进行垂直钻探取芯，连续取3～10根长度为10～50cm岩芯柱，作为优选，本发明连续取5根长度为20～30cm的岩芯柱，对于同一地层各岩芯柱的取样距离不要超过50cm，存在上述岩芯柱的地层为完整地层，而非破碎带地层。取样间距不超过50cm为了保证所采样的岩芯柱来自同一地层。
(3)岩石试样的制备：将步骤(2)得到的岩芯柱进行加工，按照岩石力学试验标准统一加工得到直径为25～75mm，厚度为10～40mm的圆盘状的所述岩石试样。本发明中优选加工直径为50mm，厚度为25mm圆盘状的所述岩石试样；
(4)根据劈裂实验下岩石试样的受力特点，岩石顶底部受力集中，应力变化梯度大。中轴线处远离顶底部区域，拉应力几乎相等，在拉力相等的条件下，岩石中轴线附近的各组分将逐渐由弱相至强相继破裂，从而计算出其岩石试样的破裂成分占比系数，进一步地计算出岩石非均质系数，进一步采用岩石非均质系数来评价岩石的力学非均质度；
(5)本发明采用三块圆盘状岩石试样，如图1所示，每块岩石试样1的上下两端与线性载荷施加装置2相连接，采用受压夹持弹簧6固定岩石试样1，用于防止岩石试样倾倒；线性载荷施加装置2同时与可沿防侧滑杆滑移的压头5相连接，用于给岩石试样施加线性载荷，使岩石试样受压，并且使得岩石试样沿中轴线发生破裂。采用凡士林胶将声发射传感器3贴于所述岩石试样的两侧，用于监测所述岩石样品在载荷作用下的强弱相破坏的声发射信号。防侧滑杆4与所述可沿防侧滑杆滑移的压头5及受压夹持弹簧6均相连接，这种设置使得载荷的施加沿着岩石试样1的中轴线位置进行布设，由受压夹持弹簧6防止所述可沿防侧滑杆滑移的压头5发生倾斜。可沿防侧滑杆滑移的压头5承受施加的压力载荷，并将压力载荷传递给所述线形载荷施加装置2，由所述线形载荷施加装置2施加到岩石试样1上。为增加声发射信号的频率接收范围，所述两个声发射传感器的谐振频率分别采用为60khz和150khz；通过压力机对三块岩石试样进行加载，将三块岩石试样从中部压坏，压坏的结果为岩石试样中轴线处产生劈裂裂纹，在加载过程中实时记录产生的声发射信号；
1.2岩石非均质度的定量表征
(1)在劈裂实验下，可知圆盘状的岩石试样横向受载为拉应力，且中轴线上远离顶底部区域的拉应力大小近乎相等，由拉应力等值线图也可看出这一特征。在拉应力相等的条件下，岩石内部强弱项相继破坏，计算岩石非均质系数便可反映岩石力学特征的力学非均质度；
(2)三块岩石试样最终均破裂，形态为劈裂轴线中心产生一条宏观裂纹，宏观裂纹将岩石试样一分为二，在试样断裂后，声发射信号会变得无限大具有很大的离散性，因此其断裂后产生的数据不予统计；
(3)同样受力条件下岩石内部组构的力学非均质度，导致了岩石试样中轴线处强弱相破坏的时间不同，从而导致岩石试样的破裂成分占比系数的不同，进一步地导致岩石非均质系数不同，为了定量的反映不同区域间同样受载水平下变形的非协调性，引入破裂成分占比系数fi和岩石非均质系数fv；
(4)将岩石试样从开始加载到宏观破坏前夕所经历的时间记为t，将此段时间t平均划分为10个时间间隔等份，记为t1,t2,t3,…,t10，其中0＜t1≤0.1，0.1＜t2≤0.2，0.2＜t3≤0.3，…，0.9＜t10≤1.0，统计岩石试样在每个时间间隔内的声发射事件数n1，n2，n3，…，n10，计算岩石试样宏观破裂前夕的总声发射事件数∑n＝n1 n2 … n10，定义不同时间间隔的岩石试样的破裂成分占比系数fi＝ni/∑n，其中i分别取1，2，3，…，10，定义岩石试样的破裂成分占比系数均值为m＝∑fi/10，其中∑fi＝f1 f2 … f10，定义岩石非均质系数
即为所述岩石试样的破裂成分占比系数的标准差，统计岩石试样的破裂成分占比系数随着加载进程的变化趋势，即可计算出岩石非均质系数，从而即可分辨出岩石内部强弱成分的分布状态，从而评价岩石的力学非均质度；
由步骤(4)的计算结果可知，所述岩石非均质系数fv值越小，则所述岩石试样的力学非均质度被评价为越好；所述岩石非均质系数fv值越大，则表明所述岩石试样的力学非均质度被评价为越差，如图3所示。
实施例1
本发明的方法应用于深部建井地区的花岗岩实验对象，包括如下步骤：
a1：详细查明所述花岗岩所在的地层的地质构造，选择测评区域，保证岩芯具有良好的代表性；
a2：详细查明所述花岗岩的岩性、工程特性、风化程度，评价围岩质量等级；
a3：对将要评价均质度的地层进行垂直钻探取芯，连续取5根长度为20～30cm的岩芯柱，对于同一地层各岩芯柱的取样距离不要超过50cm；
a4：将上述步骤得到的岩芯柱进行加工，统一加工为直径为50mm，厚为25mm的圆盘岩石试样，从而获得多个劈裂圆盘状的岩石试样；
a5：将上述步骤获得的劈裂圆盘岩石试样，在所述圆盘试样两侧各布置一个声发射传感器，用于监测岩石试样的声发射信号，如图1所示；
a6：为增加声发射信号的接收范围，所述两个声发射传感器的谐振频率分别为60khz和150khz，监测声发射信号的产生；
a7：岩石试样加载过程中，采用防侧滑杆与防倾倒装置稳定岩石试样，防止其侧滑或岩石试样倾倒影响实验结果；
a8：所述声发射传感器和所述岩石试样接触面处涂抹凡士林胶，增加所述声发射传感器和所述岩石试样的耦合效果；
a9：在岩石试样加载断裂后，声发射信号会变得无限大，因此其断裂后产生的声发射信号数据不予统计；
a10：因破坏时岩石试样产生劈裂劈缝，使得的声发射数据具有很大的离散性，因此岩石试样的声发射数据只统计岩石试样在破坏前夕声发射传感器监测到的对应的数据；
a11：根据上述劈裂实验得到的声发射监测结果以及计算出的所述岩石非均质系数，将岩石试样划分为非均质度好、非均质度中等和非均质度差三种情况；
进一步地，在0<所述岩石非均质系数≤5时，则所述岩石的力学非均质度被评价为良好；在5<所述岩石非均质系数≤15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为中等；在所述岩石非均质系数>15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为较差。图3示出了本发明所提供的方法对三块岩石试样进行试验测评后，按照岩石试样的破裂成分占比系数的大小所分的三种不同力学非均质度。
进一步地，所述岩石非均质系数较低的岩石，岩石组构间差异性较小，使得岩石试样的破裂成分占比系数处于较低水平，同样岩石力学非均质度始终处于较低水平。岩石组构的非均质度增加，使得岩石试样的破裂成分占比系数处于较高水平，岩石的力学非均质度也处于较高水平。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。
1.一种基于声发射的岩石力学非均质度的测试评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
s1.选择待测完整地层；
s2.对所述待测完整地层进行钻探获取岩芯柱；
s3.将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；
s4.在所述岩石试样两侧布置声发射传感器；
s5.在劈裂实验过程中记录所述声发射传感器测量的数据，根据记录的所述数据统计声发射信号事件数，根据所述声发射信号事件数计算总声发射事件数和岩石试样的破裂成分占比系数；
s6.根据所述岩石试样的破裂成分占比系数，计算出所述岩石的非均质系数；
s7.由所述岩石的非均质系数来评价所述岩石的力学非均质度。
2.根据权利要求1所述的测试评价方法，其特征在于，所述步骤s2具体为对所述待测完整地层进行垂直钻探取芯，连续取3～10根长度为20～30cm的所述岩芯柱。
3.根据权利要求1所述的测试评价方法，其特征在于，所述步骤s3具体为对所有岩芯柱进行加工，得到直径为25～75mm，厚度为10～40mm的圆盘状的所述岩石试样。
4.根据权利要求3所述的测试评价方法，其特征在于，所述步骤s4具体为对所述圆盘状岩石试样两侧各布置一个声发射传感器，用于监测所述岩石试样的声发射信号。
5.根据权利要求4所述的测试评价方法，其特征在于，两个所述声发射传感器的谐振频率分别为60khz和150khz。
6.根据权利要求5所述的测试评价方法，其特征在于，在所述声发射传感器和所述岩石试样的接触面处涂抹凡士林胶。
7.根据权利要求5所述的测试评价方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：
s51.对所述岩石试样进行劈裂实验，随着应力的改变，所述岩石试样沿其中轴线发生破坏，从而产生声发射信号，记录声发射传感器测量的数据；
s52.根据步骤s51记录的声发射传感器测量的数据，统计获得不同时间间隔下的声发射信号事件数；
s53.根据步骤s52获得的不同时间间隔下的所述声发射信号事件数，计算总声发射事件数及不同时间间隔下的岩石试样的破裂成分占比系数；
s54.根据步骤s53计算的所述岩石试样的破裂成分占比系数，计算出所述岩石非均质系数。
8.根据权利要求7所述的测试评价方法，其特征在于，所述岩石试样的破裂成分占比系数为所述不同时间间隔下的声发射信号事件数与所述总声发射事件数的比值。
9.根据权利要求1所述的测试评价方法，其特征在于，所述岩石非均质系数为所述岩石试样的破裂成分占比系数的标准差。
10.根据权利要求1所述的测试评价方法，其特征在于，
在0<所述岩石非均质系数≤5时，则所述岩石的力学非均质度被评价为良好；
在5<所述岩石非均质系数≤15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为中等；
在所述岩石非均质系数>15时，则所述岩石的力学非均质度被评价为较差。
技术总结