一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法与流程

1.本发明属于岩石力学与岩土工程领域，主要涉及一种可以用于钻孔取样过程中消减高应力损伤的方法，可在实验室尺度岩石强度测试、地质环境勘探、深部矿产资源开采、深埋隧道建设和边坡工程治理中广泛应用。


背景技术：

2.岩石在钻孔取样过程中，随着钻头的钻进，岩芯内某点处的竖直向应力被逐步解除，而水平向应力则是在钻头越过该点后才被解除，因此，钻孔取样过程将会在岩芯中造成较大的主应力差值，该差值将造成岩石的取样损伤。钻头与岩石接触部位的应力集中以及钻头钻进过程中的力学磨损和震动同样会造成岩石取样损伤。这种取样损伤在深部地应力较大的区域更为明显，且在一定程度上往往难以有效避免。钻孔取样损伤显著影响岩石的强度、压缩性、弹性波波速、渗透性以及电导性等性质，这主要与岩石内部发育的微裂纹密切相关。一般来讲，地应力随深度逐渐增大，因此取样损伤也随深度的增加而增大，表现出随取样深部逐渐变化的裂纹发育特征。浅部取样时，岩石内部只能监测到原生微裂纹，随取样深度逐渐增大，岩石内部应力引起的微裂纹数量剧增，当取样深度足够大时，钻孔内岩芯会出现饼化的现象，岩芯饼化是取样损伤的一种极端表现形式。
3.研究发现，取样损伤岩石的力学参数与未损伤岩石存在较大差异，若基于取样损伤岩石的力学参数去评价工程岩体的安全稳定性，将会造成设计不合理，给工程结构的稳定性留下安全隐患，且难以满足高效开采的需要。而目前针对岩石钻孔取样损伤的研究主要基于现场试验，难以消除岩性与岩石非均质性的影响，导致难以建立系统的钻孔取样损伤评价体系。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提出一种简单易行、直观性强、可以更有效地消减岩石损伤的基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，本发明方法能够在实验室尺度消减岩石钻孔取样损伤。
5.本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法主要思路为消减深部岩体钻孔取样过程中钻头和岩石接触部位的高应力集中，因此通过在钻孔周边位置设置应力解除孔来消减地应力的作用可以在一定程度上消减深部岩体取样过程中的钻孔取样损伤。
6.为实现本发明的上述目的，本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法采用以下步骤实现：
7.s1：到工程靶区采集新鲜岩块，加工成边长为300mm的立方体试样；
8.s2：将立方体试样固定在双向加载的岩石钻孔取样试验系统上，开启钻孔试验系统；
9.s3：在立方体试样与千斤顶之间放置加强板，并调整立方体试样侧面与千斤顶顶部平行，控制加压系统使千斤顶、加强板和立方体试样之间轻微接触；
10.s4：在立方体试样两侧端施加伺服荷载；
11.s5：选择钻孔内径为5mm的钻头，将钻机钻头调整至合适位置，开启淋水系统；
12.s6：在立方体试样待钻孔取芯位置的周围打一圈直径为5mm的应力解除孔；
13.s7：更换钻孔内径为50mm的钻头，在应力解除孔中心位置钻取直径为50mm的岩芯；
14.s8：关闭淋水系统和钻孔试验系统，将钻取的直径为50mm的岩芯放置在岩石试样保管箱中以备后续岩石力学试验使用。
15.优选地，在s1步骤中，对边长为300mm的立方体试样表面做打磨处理，使其表面平整度不大于0.01mm，以消除端部效应的影响。
16.优选地，s4步骤中，立方体试样两侧端的侧向压力根据实际工程的地应力大小进行设置。
17.优选地，s6步骤中，应力解除孔的布置采用圆形分布，均匀布置在钻孔取芯位置周围；应力解除孔距离拟钻取岩芯边界不小于100mm，以消除钻取应力解除孔时周围损伤区对拟钻岩芯的影响；应力解除孔的数量不少于10个，以保证拟钻取岩芯周围的高应力可以有效消除。
18.优选地，s7步骤中，在钻取直径为50mm的岩芯时采用中速或慢速钻进，以保证钻取岩芯表面的平整度。
19.与现有技术相比，本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，通过应力解除孔消的设置可有效消减实验室尺度下真实地应力环境取芯过程中的应力集中，以达到消减钻孔取样损伤的目的。
附图说明
20.图1为本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法试验加工的边长为300mm的立方体试样示意图；
21.图2为本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法应力解除孔的布置方案示意图。
22.附图标记为：1-立方体试样；2-应力解除孔；3-岩芯。
具体实施方式
23.为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法做进一步详细说明。
24.图1为本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法试验加工的边长为300mm的立方体试样示意图；本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法应力解除孔的布置方案示意图。由图1、图2看出，本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，具体采用以下步骤实施：
25.s1：到工程靶区采集新鲜岩块，加工成边长为300mm的立方体试样1，对立方体试样1表面做打磨处理，使其表面平整度不大于0.01mm，以消除端部效应的影响；
26.s2：将立方体试样1固定在双向加载的仪器型号为gjzs-100为岩石钻孔取样试验系统上，开启钻孔试验系统；
27.s3：在立方体试样1与千斤顶之间放置加强板，并调整立方体试样1侧面与千斤顶
顶部平行，控制加压系统使千斤顶、加强板和立方体试样1之间轻微接触；
28.s4：在立方体试样1两侧端施加伺服荷载，以模拟深部高应力环境；立方体试样1两侧端的侧向压力根据实际工程的地应力大小进行设置，同时在钻孔取芯过程中一直维持该应力水平；
29.s5：选择钻孔内径为5mm的钻头，将钻机钻头调整至合适位置，开启淋水系统；
30.s6：在立方体试样1待钻孔取芯位置的周围打一圈直径为5mm的应力解除孔2，应力解除孔2的布置采用圆形分布，均匀布置在钻孔取芯位置周围；应力解除孔2距离拟钻取岩芯边界不小于100mm，以消除钻取应力解除孔时周围损伤区对拟钻岩芯3的影响；应力解除孔2的数量不少于10个，以保证拟钻取岩芯周围的高应力可以有效消除；
31.s7：更换钻孔内径为50mm的钻头，在应力解除孔2中心位置钻取直径为50mm的岩芯3，在钻取直径为50mm的岩芯时采用中速或慢速钻进，以保证钻取岩芯表面的平整度；
32.s8：关闭淋水系统和钻孔试验系统，将钻取的直径为50mm的岩芯3放置在岩石试样保管箱中以备后续岩石力学试验使用。
33.本发明一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法已经在某地下矿山开采工程钻孔取样力学性能测试中应用，试验表明，采用本发明方法进行岩石力学试验，数据准确、可靠，用本发明方法取得的力学参数去评价工程岩体的安全稳定性，完全能满足安全、高效开采的设计和工程应用需要。


技术特征：
1.一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，其特征在于包括以下步骤：s1：到工程靶区采集新鲜岩块，加工成边长为300mm的立方体试样(1)；s2：将立方体试样(1)固定在双向加载的岩石钻孔取样试验系统上，开启钻孔试验系统；s3：在立方体试样(1)与千斤顶之间放置加强板，并调整立方体试样(1)侧面与千斤顶顶部平行，控制加压系统使千斤顶、加强板和立方体试样(1)之间轻微接触；s4：在立方体试样(1)两侧端施加伺服荷载；s5：选择钻孔内径为5mm的钻头，将钻机钻头调整至合适位置，开启淋水系统；s6：在立方体试样(1)待钻孔取芯位置的周围打一圈直径为5mm的应力解除孔(2)；s7：更换钻孔内径为50mm的钻头，在应力解除孔(2)中心位置钻取直径为50mm的岩芯(3)；s8：关闭淋水系统和钻孔试验系统，将钻取的直径为50mm的岩芯(3)放置在岩石试样保管箱中以备后续岩石力学试验使用。2.如权利要求1所述的基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，其特征在于：s1步骤中，对边长为300mm的立方体试样(1)表面做打磨处理，使其表面平整度不大于0.01mm，以消除端部效应的影响。3.如权利要求1所述的一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，其特征在于：s4步骤中，立方体试样(1)两侧端的侧向压力根据实际工程的地应力大小进行设置。4.如权利要求1所述的一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，其特征在于：s6步骤中，应力解除孔(2)的布置采用圆形分布，均匀布置在钻孔取芯位置周围；应力解除孔(2)距离拟钻取岩芯边界不小于100mm，以消除钻取应力解除孔时周围损伤区对拟钻岩芯(3)的影响；应力解除孔(2)的数量不少于10个，以保证拟钻取岩芯周围的高应力可以有效消除。5.如权利要求1所述的一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，其特征在于：s7步骤中，在钻取直径为50mm的岩芯时采用中速或慢速钻进，以保证钻取岩芯表面的平整度。

技术总结
本发明公开了一种基于应力解除的钻孔取样损伤消减方法，适用于实验室尺度下钻孔取芯时消减钻孔取样损伤。首先备置边长为300mm的立方体试样(1)，将其表面磨平使其表面平整度不大于0.01mm；将立方体试样(1)固定在双向加载的岩石钻孔取样试验系统上，开启钻孔试验系统，在立方体试样(1)两侧端施加伺服荷载模拟靶区高应力环境取样过程；开启淋水系统，在立方体试样(1)待钻孔取芯位置的周围打一圈直径为5mm的应力解除孔(2)；采用中速或慢速钻进钻取直径为50mm的岩芯(3)备后续岩石力学试验使用。通过应力解除孔(2)的设置可有效消减实验室尺度下真实地应力环境取芯过程中的应力集中，以达到消减钻孔取样损伤的目的。以达到消减钻孔取样损伤的目的。以达到消减钻孔取样损伤的目的。


技术研发人员：彭俊 许传华 代碧波 孙丽军 孙国权 刘义鑫 李鹏程 王林飞 潘堃
受保护的技术使用者：华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司
技术研发日：2022.09.15
技术公布日：2022/12/16