一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法与流程

1.本发明属于岩土工程地应力测试技术领域，特别涉及一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法。


背景技术：

2.传统基于声发射的地应力测量方法利用岩石对所受应力表现出记忆性的声发射“凯泽效应”，通过在相同位置布置6个钻孔，获得6个方向所受最大应力，计算得到三个主应力方向及大小。传统的基于声发射测量地应力钻孔工作量很大，同时在不同孔取岩心难以保证被测岩石均质性，从而难以保证测试精度。


技术实现要素：

3.本发明意在提供一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法，以解决现有技术存在的问题，通过精细波速测试方案及低场核磁共振试验量化岩心卸荷各向异性损伤特征，据此确定主应力方向，根据主应力方向加工立方体试样，并在主应力方向加载，同时监测声发射，基于凯泽效应确定各方向地应力值，准确确定地应力大小和方向，极大节省钻孔工作量。
4.本方案中的一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法，包括以下步骤：
5.步骤一、钻孔取样，通过对比钻孔电视岩心图像，进行精细化岩心编录，对岩心准确定向；
6.步骤二、宏观测试：通过对钻孔取得的竖直圆柱形岩心沿着轴向间隔不大于10
°
测量波速，获得岩心波速各向异性特征，测定其波速最大方向为最小水平主应力方向，测定其波速最小方向为最大水平主应力方向；
7.步骤三、微观测试：通过对竖直圆柱形岩心开展精细核磁共振成像分析，确定岩心微观损伤特征，获得不同方向孔隙结构各向异性分布特征，测定孔隙量最大的方向为卸荷损伤最大的方向，即为最大水平主应力方向，孔隙量最小的方向为卸荷损伤最小的方向，即为最小水平主应力方向；
8.步骤四、通过对比宏观测试的结果和微观测试的结果，对比上述两种测试获得的最大水平主应力方向、最小水平主应力方向，若两种测试的最大水平主应力方向、最小水平主应力方向角度差异小于15
°
，取宏观测试和微观测试确定最大水平主应力方向、最小水平主应力方向；
9.步骤五、将圆柱形岩心加工为正方体试样，正方体试样三个相互垂直面的方向分别对应于竖直方向、最大水平主应力方向、最小水平主应力方向；在正方体试样三个方向分别进行单轴加载，基于“凯泽效应”测量各主应力大小，即得地应力测量数值。
10.优选的，所述宏观测试中通过对钻孔取得的竖直圆柱形岩心沿着径向间隔5
°
或10
°
测量波速。
11.优选的，所述微观测试的核磁共振成像分析中通过在图像上布置测量区域，且进行条状区域孔隙结构量化，并按1
°
～10
°
的角度旋转测量区域进行逐条量化孔隙结构。
12.优选的，所述步骤四中，宏观测试和微观测试获得的最大水平主应力方向、最小水平主应力方向差异大于15
°
，则需重新测量，重新测量误差超过15
°
，放弃该测点试样。
13.优选的，所述步骤五中，基于“凯泽效应”测量各主应力大小的具体步骤为：对正方体试样三个方向分别进行单轴加载后，进行声发射监测，获得三个方向声发射信号发生突增的点(凯泽点)，并获取相应加载应力值，获得应力值分别对应于竖直应力σh，最大水平主应力σhmax和最小水平主应力σhmin。
14.本发明的工作原理及有益效果为：由于岩心在最大主应力方向受荷最大，且取芯卸荷过程也将在最大主应力方向造成最为显著的卸荷损伤，本发明通过对绕圆柱岩心波速测量，可以获得岩心波速各向异性特征；或可通过核磁共振等微观量化方法，可获得岩心卸荷损伤各向异性特征，损伤最大方向即为最大主应力方向，损伤最小方向即为最小主应力方向。据此即可确定岩心所处地应力环境最大主应力和最小主应力方向，在此基础上，基于岩石受荷记忆性的“凯泽效应”，确定各主应力方向地应力值的大小，由此，可实现通过单个钻孔岩心准确确定地应力大小和方向，极大节省钻孔工作量，在岩土工程地应力测量领域具有广泛应用前景。
附图说明
15.图1为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法的流程图；
16.图2为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法的示意图；
17.图3为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法中岩心轴向波速各向异性及地应力方向测量示意图；
18.图4为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法中基于核磁共振的微观损伤各向异性及地应力方向测量示意图；
19.图5为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法中岩心试样加工及地应力测定试验示意图；
20.图6为本发明一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法中基于岩心试样声发射“凯泽效应”的地应力测量结果示意图。
具体实施方式
21.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
22.说明书附图中的附图标记包括：隧道竖直钻孔1、钻孔电视2、标记线3、圆柱体岩心试样4、波速测试仪5、核磁共振6、正方体试样7、声发射方向8、加载方向9、波速测试线10、波速分布线11、长条测量区域12、孔隙各向异性曲线13、岩心切割部分15、正方体试样16。
23.实施例基本如附图1-2所示：一种基于岩心损伤各向异性的单孔声发射地应力测量方法，包括以下步骤：
24.步骤一、钻孔取样，通过对比钻孔电视2监测的岩心图像，进行精细化岩心编录，对
岩心准确定向，在岩心上做好方向标记线3；
25.步骤二、宏观测试：采用波速测试仪5绕钻孔取得的竖直圆柱形岩心试样每间隔5
°
或10
°
的测试线10测试波速，获得绕圆柱形岩心试样360
°
波速分布11，其中波速最大方向受卸荷损伤最小，为最小主应力方向，波速最小方向受卸荷损伤最大，为最大主应力方向。
26.步骤三、微观测试：通过核磁共振6获得岩芯截面核磁共振微观孔隙结构图像，通过在图像上布置测量区域12进行条状区域孔隙结构量化，并按一定角度(优选1
°
～10
°
)旋转测量区域进行逐条量化孔隙结构，获得不同方向孔隙结构各向异性分布13，其中孔隙量最大的方向为卸荷损伤最大的方向，即为最大水平主应力方向，孔隙量最小的方向为卸荷损伤最小的方向，即为最小水平主应力方向。
27.步骤四、验证最大、最小水平主应力方向结果，通过对比宏观测试结果(波速各向异性)和微观测试结果(基于核磁共振成像的孔隙各向异性)，上述两种测试获得的最大水平主应力方向、最小水平主应力方向差异小于15
°
，取宏观测试和微观测试确定最大水平主应力方向、最小水平主应力方向的中间值为地应力方向；若上述两种测试获得的最大水平主应力方向、最小水平主应力方向差异超过15
°
，则需重新测量，若误差仍超过15
°
，该测点应放弃。
28.步骤五、将竖直圆柱形岩心进行切割，切除岩心多余部分15，切割得到正方体试样16，正方体试样16三个相互垂直面的方向分别对应于竖直方向、最大主应力方向、最小主应力方向；对正方体试样按照确定的竖直方向、最大主应力方向、最小主应力方向3个方向加载，并进行声发射监测，获得三个方向声发射信号发生突增的点(凯泽点)，并获取相应加载应力值，获得应力值分别对应于竖直应力σh，最大水平主应力σhmax和最小水平主应力σhmin。
29.实例：在贵州某隧道竖直钻孔40m，钻孔过程中每个钻进回次均进行钻孔电视摄像，现场对比钻孔图像与岩心，并在岩心标记正北方向线；
30.将现场取得岩心切割为33cm长度圆柱，并装入密封带，减少蒸发失水；
31.如图3所示，采用波速测试仪绕岩心每间隔10
°
沿波速测试线测量波速，获得绕岩心360
°
的岩心波速分布，通过波速绘图，确定波速最低方向为卸荷损伤最大方向，如图5所示，即最大主应力方向，为n30
°
w；确定波速高方向为卸荷损伤最小方向，即最小主应力方向，为n60
°
e；
32.将岩心切割为长度小于12cm圆柱，采用低场核磁共振方法获得岩心孔隙、裂隙微观图像，通过在图像上布置长条测量区域的方法，获得测量区域孔隙、裂隙发育量；通过旋转长条测量区域，每次旋转3
°
，获得岩心各方向孔隙分布特征。根据各向孔隙分布特征绘制图像孔隙各向异性曲线，如图4所示，确定孔隙量最高的方向为卸荷损伤最大方向，即最大主应力方向，为n28
°
w；确定孔隙量最低方向为卸荷损伤最小方向，即最小主应力方向，为n62
°
e；
33.对比宏观波速和微观孔隙分布确定损伤分布各向异性特征及由此确定主地应力方向，发现误差在10
°
以内，一致性很好，证实通过2种方法确定主应力方向的准确性。
34.在此基础上，将岩心切割为立方体试样，将竖直圆柱形岩心进行切割，切割为正方体试样，正方体试样三个相互垂直面的法向方向分别对应于竖直方向、n28
°
w和为n62
°
e方向；
35.通过岩石单轴压力试验机对正方体试样按照确定的竖直方向、28
°
w和为n62
°
e个方向加载，并进行声发射监测，获得三个方向声发射信号发生突增的点(凯泽点)，并获取相应加载应力值，如图6所示，获得应力值分别对应于竖直应力σh＝10.2mpa，最大水平主应力σhmax＝11.9mpa和最小水平主应力σhmin＝13.9mpa。
36.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本发明要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。