文摘
许多地下开挖实践表明,原岩应力的大小和分布的主要因素是导致围岩变形和不稳定的结构。凯瑟效应的地应力测量的岩石被工程师由于其经济和方便。然而,由于缺乏定量的判断依据凯撒点位置的确定,有一个大的人工误差的实际应用。针对这个问题,本研究系统地研究岩石声发射曲线的特点的基础上,分形理论,建立了准确和简单的解释为凯撒点位置的确定方法。室内岩石声发射测试是由钻井岩石样品在我的网站。通过使用传统的切线法,累计振铃数rate-time-stress岩石声发射曲线进行了分析,初步确定Kaiser点出现的时间范围。考虑到岩石的分形维数Kaiser点低于邻点,分形维数的最小值点的这个时间范围可以确定分形dimension-time-stress曲线。这样的决定是凯撒。原岩应力的大小计算使用一种分析方法。基于原位应力的值,地应力的分布在矿区进一步分析使用矿井的地质构造。 The maximum principal stress is 19.38 MPa, with a direction of N (30°-40°) E, and the minimum principal stress is 8.02 MPa with a direction of N (50°-60°) W. The maximum and minimum principal stresses are approximately in the horizontal plane. The intermediate principal stress is 11.73 MPa in vertically downward. These results are basically consistent with the distribution statistical law of the measured in situ stress fields in the world. The results presented in the study could provide a reference for the later mining, stability evaluation, and support of the surrounding rock.
1。介绍
压力与原始的岩石,原位应力是影响地下开挖工程稳定性的最重要因素,许多研究已经完成(1- - - - - -3]。研究地应力测量在深矿井康等人提供了基本参数的布局和支持设计深巷道(4]。Komurlu等人研究了水平地应力对周围的破坏机理的影响地下机会发掘在各向同性弹性岩石区域(5]。林等人研究了变形、开裂和破坏机理,深埋隧道的整体稳定性高的原位应力设计优化支持系统(6]。原位应力的基本力引起的变形和破坏采矿、水利、水电、土木工程等地下岩石开挖工程。这是一个必要前提确定工程岩体的力学性能,分析围岩的稳定性,实现岩石开挖的科学设计和决策(7]。不断扩大的规模和深度的挖掘,原位应力变得更加突出和许多灾难的发生现象密切相关的原位应力8- - - - - -10]。因此,它是必要的,以确定地应力的分布在采矿项目。布局合理的巷道不仅可以改善安全,避免灾难的发生,还降低支持和维护成本。
目前,地应力测量方法有很多,可分为两类:直接测量法和间接测量法(11,12]。在直接法,只有水力压裂法、声发射法不需要preexcavation室,这是相对更方便和快速。水力压裂法来估计当场测点的应力场钻井后测点。这种方法由于笨重的水力压裂车是昂贵的和昂贵的测量仪器。声发射方法只需要获取对应的测点的岩石核心,和岩石的凯瑟效应可以用来估计原位应力。由于简单,操作方便,价格低廉,减少现场操作,和适合室内大规模批量测试、声发射方法更广泛用于矿山(13,14[],油田15,16),和隧道交通(17,18]。
虽然皇帝的解释的关键一点是地应力测量、声发射方法仍存在一些不足的解释皇帝,严重阻碍了该方法的广泛应用。目前,凯撒点的解释是基于数据参数的突然增加或曲线的斜率。没有这种变化的定量评价标准,也缺乏科学依据。变化是不清楚时,很难控制手册的错误解释。因此,它需要提出一个方法来确定皇帝的位置点通过定量评价标准。摘要室内岩石声发射测试是由钻井岩石样品在我的网站。据凯撒的准确和方便的解释方法,测试结果进行了研究和分析。最后,原岩应力的大小和分布规律得到了这个矿。结果可以为采矿设计提供基本数据,巷道支架,围岩稳定性评估后期的开采和提供高效的保证和矿井的安全生产。
2。声发射检测原理
外部载荷的作用下,材料内部的应力集中会形成破坏,这将导致能源存储材料的释放。压力波从声发射现象被释放。1950年,德国皇帝发现有很多声发射现象一旦应用负载超过了历史最大应力水平的金属材料。这种现象被称为凯撒的效果。的过渡从少量的声发射大量的声发射被称为凯撒点,和相应的压力这一点的最大历史应力是材料。之后,许多人通过实验证明了一个摇滚也有这样一个重要的凯瑟效应(19- - - - - -21]。因此,只要定向岩心收回原始岩石的室内试验、原岩应力可以通过使用获得皇帝的效果。
3所示。皇帝点的解释
3.1。皇帝点解释方法的缺点
Kaiser的解释的关键一点是地应力测量的声发射方法。现在,凯撒点的解释通常是由一个或多个参数的急剧变化的声发射信号来确定皇帝的位置点。有两种传统的解释方法。一个是直接的诠释由声发射参数和时间之间的关系,如图1。这种方法的基础是是否有大量的声发射后一个特定的时间点。然而,没有量化的标准为大量的声发射和解释有一定的主观性。很难掌握应用程序的准确性。
另一种方法是将急剧变化的变化率之间的关系曲线累积参数及声发射的时间。一条曲线的方法更容易理解一个重要的转折点,如图2。当积累的拐点参数是模棱两可的,切是用来帮助解释和切线的交点确定Kaiser点,如图3。
上述两种方法的解释皇帝点是基于数据参数的突然增加或曲线的斜率的突然增加。没有这种变化的定量评价。当改变不明显,很难控制手册的错误解释。因此,我们提出一个方法来确定具有重要意义的位置Kaiser点通过定量评价标准。
3.2。综合分析凯瑟点解释的方法
目前,凯撒点的确定主要基于声发射特性曲线。通过分析和比较不同的特征参数曲线,凯撒的清晰程度点如下:声发射累积energy-time曲线>声发射累计振铃>声发射累积事件时间曲线计算曲线。然而,当凯撒是凭直觉判断通过映射方法,声发射累积energy-time曲线可能有多个突变点。这些干扰点会有一个更大的对解释结果的准确性产生影响,而声发射累计振铃计算曲线的影响较小。经过综合考虑,累计振铃数rate-time-stress曲线是用来估计凯撒。
此外,由于不可避免的噪声干扰在采集声发射信号。为了进一步减少干扰信号的影响累计振铃产量-时间曲线,有必要消除干扰前的声发射振铃计数时间序列数据分析。深入研究后,小波分析方法用于从声发射信号中提取有用的原始信号包含了各种噪音,可以改善限率和恢复更加真实声发射信号数据。同时,不同类型的小波函数进行比较和分析根据岩石声发射信号的特征。最后,降噪的岩石声发射使用Daubechie小波时间序列是由家庭。降噪过程分为以下三个步骤:(1)原始信号的小波分解:一个信号与噪声模型可以表示为 的公式,原始信号与噪音,是真正的岩石声发射信号,噪声信号。db4小波基选择通过MATLAB软件原始声发射信号分解为5层。(2)小波系数的阈值量化噪声:使用固定阈值法消除干扰,阈值是 ,在那里代表了信号进行分析。噪声的小波系数和阈值进行比较小波变化后,小波系数低于成为零,和小波系数大于成为的区别 。(3)量化的小波系数的阈值量化重构信号消除噪声干扰。
许多研究发现,岩石Kaiser点的频带能量高于其他附近的点,但分形维数低于相邻的点。根据岩石凯撒的特征点和累积的声发射振铃计数率曲线在凯撒的解释有不干扰点,声发射振铃计数的相关维度是用来分析岩石的分形特征。使用方法Grassberger和Procaccia提出的计算序列从时间序列的关联维数22)(以下简称表压算法),声发射的基本参数序列作为研究对象,每个序列对应于一组序列的样本大小 :
公式(2)可以构造一个维相空间( )和需要的数量作为一个样本空间的维向量:
然后向后移动一点,数字形成第二个向量,等等,时间序列可以形成的 维向量。相应的相关函数
的公式,亥维赛功能和吗是给定的规模。为了控制计算的离散性,结果通常需要
的公式,是比例系数。从上面的各种处理通过MATLAB程序,你可以得到一组散点在给定维度。如果这些散点可以形成一条直线 ,它表明样品的声发射序列具有良好的分形特征在一个给定的维度和回归线的斜率是维度的相关性。每个样品的分形dimension-time-stress曲线得到上面的表压算法。
基于上述理论,提出综合分析方法可以准确地解读凯瑟点。首先,凯撒点估计的时间范围累计振铃数rate-time-stress曲线通过使用传统的切线法。分形dimension-time-stress曲线,寻找最小值的分形维数在这个时间范围,这是皇帝。这样,凯撒点的位置可以由量化评价标准,它不仅具有一定的物理意义,而且减少了误差引起的手册解释在一定程度上,提高了解释精度。具体步骤如下:(1)用切线法画切线累计振铃数产量-时间-应力曲线。切线交点对应的时间确定为一个近似Kaiser点时间。(2)阅读时间的分形维数的最小值估计近似Kaiser点时间范围;这段时间是固定的,当皇帝点出现的时间。(3)拿起皇帝的时间,读结构应力曲线上的对应的压力值,此时的压力是最大应力水平的轴向历史标本。
4所示。原位应力的解析计算方法
声发射测试可以测量轴向压力的核心,因为皇帝的方向性效应,压力水平在许多方向可以通过不同的取心的方向。根据弹性理论,任何一点的应力张量的空间可以由6个方向的压力。事实上,许多研究表明,主应力的大小和方向可以通过公式转换基于了解三种不同的横截面的正应力。
如图4,三个已知的横截面,法向量之间的夹角和是 ,和之间的角度和是 。
如果主应力之间的角度和法向量是 ,然后主应力的解决方案和是:众所周知,正常的压力 , , 在三个部分来计算主应力的大小和 ,和方向的主应力 。(规定逆时针旋转为正,和拉应力为正)。法向应力之间的关系和主应力在任意截面如下:
因此,方程可以得到:
然后公式(12)是由(代替10)和(11);主应力计算公式和得到了。
的公式, 。
公式(12),(13)和(14)的基本表达式计算主应力的大小和方向。人们普遍认为最大主应力,所以值必须满足不平等来源于公式(10)和公式(11), 的基础上满足(14):
当法向量之间的角度和和法向量之间的角度和都是45°角,它可以根据下面的简化计算公式。
从上面的三个公式,两个主应力的大小和方向在水平面可以通过解决三个不同方向的正应力在同一水平面。最后,根据中间主应力的分布,原位应力分布的测量可以获得。
5。声发射测试的岩石
5.1。矿区的地质条件
该矿90多年的开采历史。近年来,在矿区地面压力的活动已明显增加,威胁矿井的安全生产在一定程度上。大量的采空区,矿区的构造活动,岩体的结构特征有不同程度的影响在矿区地压活动。矿区的地层主要是第四纪现代坡存款,剩余存款,和冲积矿床,位于西北的Gukeng背斜翼年底的背斜向西南倾斜。该地区地层的方向随结构的位置。褶皱轴向附近主要出现在northeast-southwest的方向和南北方向。倾向和倾角大大改变了。有很多缺点,关节,和岩石裂缝集团成为变形的空间压缩。中间部分主要分布在矿区的风化层和构造发展部分。由于风化程度高和结构发展,主体结构的岩体主要是裂缝的块或片段,本地与泥土混合,和结构的承载力很低。
5.2。场取心
在这个实验中,核心是钻孔的深度约500在矿区的一部分。轴向方向的核心是90°与地面垂直,水平方向是225°、270°、315°。核心的直径大约是50毫米。取心的方向的示意图,当场取心数据所示5和6。
5.3。样品处理
为了确保完整性和均匀性的岩石,16个标本与波速附近选择来自47个变质砂岩样品处理。标本是一个圆柱形试样符合测试程序,直径和高度的比例大约是2:1。示例如图的一部分7。样本的具体信息如表所示1。
5.4。测试仪器和参数设置
室内声发射测试需要使用rmt - 150 c岩石力学测试系统(图8(一个))和SAEU2S完整波形多通道声发射探测器(图8 (b))进行单轴加载试验和采集声发射信号。两个系统可以收集和记录的变化基本变量和参数的测试过程和自动生成每个参数的关系图。
(一)rmt - 150 c岩石力学测试系统
(b)声发射采集系统
声发射测试完成0.002 mm / s的速度位移载荷作用下。声发射测试系统使用共振u形探测中心频率为1000千赫。探测器放置在中央位置的标本。为了确保并购的成功率,同时两个探针被用来收集数据。完整的数据采集通道被选为样本进行数据分析。声发射参数如表所示2。
5.5。皇帝点测定
在这个实验中,其他因素的影响在不考虑凯撒一点的决心。测试进行了符合实验标准的岩石单轴压缩。使用上面的岩石声发射检测设备,处理过的16个样本测试获得声发射测试信号。db4小波基选择通过使用MATLAB软件,以及声发射振铃计数时间序列是由固定阈值去噪的方法。基于数据降噪后,累积计算声发射振铃计数率和累计振铃数rate-time-stress曲线绘制。切线交点是通过传统的切线法,重点是近似作为凯撒点。
表压算法用于计算整个声发射振铃计数有关分形维数的过程。据表压算法的过程中,相关的分形维数的影响重构相空间维度 。以样本270 - 2为例,相空间维数的变化趋势及相关计算分形维数,如图9。相关的分形维数的变化梯度是相对稳定的相空间维数作为后4。表明样品具有良好的分形特征,当嵌入维度是4,所以 。计算相关的分形维数时,声发射试验获得的参数作为一个随时间变化的序列,序列的容量是1024 。
每个样品的分形dimension-time-stress关系表压计算的算法。累计振铃数rate-time-stress曲线和相应的每个标本的相关dimension-time-stress曲线如图10。分形维数的最小值点读取近似Kaiser点时间范围,点在哪里是最低点,凯撒。此时,相应的应力值是原岩应力轴方向的样本值。每个样本的应力值如表所示3。
(一)
(b)
(c)
(d)
6。在矿区原岩应力的分析
6.1。在矿区原岩应力的大小
垂直应力的存在是与构造活动、上覆地层厚度、温度、水压力等等。上覆岩层的重力是主要的影响因素。在全球范围内广泛的统计数据显示,25 ~ 2700米的深度范围内,大约相当于平均容重和等于27 kN / m3计算重力H。在中间部分的高度上覆地层开采约500米,所以估计垂直压力在中间部分
声发射测量的垂直应力值为11.73 MPa,符合法律上覆地层。
三个水平方向的应力值 , , 。把它们分成以下公式:
因此,最大水平主应力为19.38 MPa,最小水平主应力是8.02 MPa,垂直压力是11.73 MPa。大量的实验结果表明,最大和最小主应力在世界的大部分地区,分布在平面上方向几乎是水平的。最大水平主应力之间的比率和垂直应力一般在0.5 ~ 5.5的范围。根据测量数据,两个水平主应力之间的比例和垂直主应力在0.8至1.5的范围(见表4)[23]。根据测试结果,平均值的比值水平主应力的垂直压力 和的比值最大水平主应力垂直主应力 。他们基本上是符合统计规律原位测量压力。
6.2。在矿区地应力的方向
为了了解地应力的分布在矿区矿体开采,并提供一个基础在未来的阶段,地应力数据的基础上,通过声发射方法,有必要分析研究区域构造应力场的结合地质构造,然后推断出的方向在矿区原岩应力。
褶皱的弯曲变形岩石地层压力。它是由地壳岩石变形和断裂构造痕迹保留由构造应力引起的。它是地壳中最常见的地质构造。地应力的方向可以推断通过研究的方向折叠和矿区的地层。根据矿井的地质报告,众所周知,矿区的褶皱结构主要是结束Gukeng背斜的西北翼背斜向西南倾斜。该地区地层的方向随结构的位置。轴向方向是40 ~ 60度,褶皱的轴方向平行于最小主应力的方向,所以它是垂直于最大主应力的方向。这是猜测,最大主应力的方向在矿区大约是N (30°~ 40°) E;最小主应力的方向是N (50°~ 60°) W。
6.3。综合分析矿区的地应力
一般应力分布在矿区,最大主应力为19.38 MPa的方向N (30°~ 40°) E,最小主应力为8.02 MPa的方向N (50°~ 60°) w .最大主应力和最小主应力一般都是在水平平面。中间主应力的方向是垂直向下的,大小是11.73 MPa。
最大主应力为19.38 MPa。根据相关标准,0 ~ 10 MPa是一种低应力区,10 ~ 18 MPa是介质压力区,和18 ~ 30 MPa是高应力区;超过30 MPa是一个超高压力区域(24]。因此,矿区的地应力属于高应力场。
最大水平主应力在矿区自重应力的1.44倍,表明在矿区应力场由水平构造应力而不是自重应力。
之间的比例最大水平主应力和最小水平主应力为2.42,显示两者之间的差异。之间的差异最大主应力和最小主应力将导致更大的岩体的剪切应力。当岩体的剪切应力大于岩体的抗剪强度,断裂发生。这提供了良好的应力条件的形成断层,关节,在矿区和裂缝。
7所示。结论
通过分析和研究岩石声发射的各种特性曲线,累计振铃数rate-time-stress曲线的关系曲线和分形dimension-time-stress声发射曲线进行了分析和处理。一个简单和准确解释地应力测量方法提出了用岩石的凯瑟效应。
在这个实验中,分形理论被用来解释声发射测试结果,及相关分形维数计算的岩石声发射。根据表压算法,分形dimension-time-stress曲线获得的样本。结合传统的映射方法,凯撒岩石声发射是更准确地解释,减少人类主观因素的干扰。
根据测量结果的综合分析矿区地质构造,主要分布在原地应力场。最大主应力为19.38 MPa的方向N (30°~ 40°) E,和最小主应力是8.02 MPa的方向N (50°~ 60°) w .中间主应力的方向是垂直向下一个值为11.73 MPa。
原位应力的大小和分布在我来自本研究提出的方法符合测量地应力的分布统计法律领域。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是国家自然科学基金支持的(没有。51764013),科技支撑计划项目的江西省科学技术厅(批准号20161 bbg70075和20161 acg70010),和关键科学技术研究项目的江西省教育部门(批准号GJJ160592)。