基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.223

黄金科学技术 ›› 2019, Vol. 27 ›› Issue (2): 223-231.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.223

基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究

郭春志¹(),马春德^1,²(),周亚楠¹,刘泽霖¹,龙珊¹

1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083
2. 中南大学高等研究中心，湖南长沙 410083

收稿日期:2018-05-15 修回日期:2018-09-18 出版日期:2019-04-30 发布日期:2019-04-30
通讯作者: 马春德 E-mail:17308416105@163.com;cdma@csu.edu.cn
作者简介:郭春志（1993-），男，河南项城人，硕士研究生，从事岩土力学研究工作。17308416105@163.com|马春德（1976-），男，辽宁丹东人，副教授，博士，从事岩体力学与地应力测量方面的研究工作。cdma@csu.edu.cn
基金资助:
新疆维吾尔自治区重大科技专项“东天山复杂地质特长公路隧道建设关键工程研究与应用——特长公路隧道机械化安全快速施工技术研究”（编号：2018A03003-2）和国家重点研发计划项目“深部岩体力学与开采理论”之“深部高应力诱导与能量调控理论”(编号：2016YFC0600706)

Research on Quantitative Characterization Method of Rock Energy Storage Based on Wave Velocity Measurement

Chunzhi GUO¹(),Chunde MA^1,²(),Yanan ZHOU¹,Zelin LIU¹,Shan LONG¹

1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China
2. Advanced Research Center, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China

Received:2018-05-15 Revised:2018-09-18 Online:2019-04-30 Published:2019-04-30
Contact: Chunde MA E-mail:17308416105@163.com;cdma@csu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了定量化表征岩石储能，选择3类典型岩石（强度较低的红砂岩、中等强度的大理岩和坚硬的花岗岩），在弹性区间内对其压缩载荷（或应力）与纵波波速之间的随动关系进行测试研究，并根据其应力—应变特征曲线，计算出应力与存储能量之间的定量关系，建立以应力为桥梁的“波速—应力—储能”的定量化表征方法。结果表明：在3种典型岩石弹性阶段内，其纵波波速与压缩应力均呈现出明显的线性关系；压缩应力与岩石储能之间基本符合复合幂指数关系；根据卸载波速—应力、应力—弹性储能所建立的模型，可以得到卸载波速与弹性储能之间的对应函数关系，实现了用波速定量化表征岩石储能的目的，即获得了一种较为可行的用波速定量化表征岩石储能的测试技术方法。测试结果还表明：硬岩比软岩更适合采用此方法来定量化表征存储的能量，其精度和准确度更高。

关键词: 典型岩石, 岩石强度, 卸载波速, 弹性储能, 复合幂指数模型, 定量化表征

Abstract:

The underground rock mass stores a large amount of energy，disasters such as rock bursts will occur under certain conditions.The benign application of rock energy storage can not only effectively reduce the sudden release of energy，but also make use of rock energy.But there are still a series of technical problems to be solved in order to make it work.One of the key issues is how to accurately quantify the energy storage of deep rock mass.This study only qualitatively and quantitatively studies the elastic range of rock，using low-intensity red sandstone (sedimentary rock)，medium-strength marble (metamorphic rock) and high-strength granite (magmatic rock).The basic idea of ??this study is to explore the relationship between wave velocity and stress in the elastic phase of rock.The model is used to characterize the corresponding stress value by wave velocity，and then explore the relationship between stress and the corresponding energy density.The model uses stress to characterize the energy stored in the rock，and then compares the energy value obtained by the model with the actual energy value to verify the method of characterizing energy with wave velocity.The test results show that the longitudinal wave velocity and the compressive stress show a linear relationship in the three typical rock elastic stages，and the compressive stress and the rock energy storage basically conform to the complex power exponential relationship.The results also show that the theoretical value is not much different from the real value，the error is small，and the hard rock is more suitable than soft rock to be quantified the stored energy with this method，with higher precision and accuracy.In this paper，through the uniaxial repeated loading and unloading test and calculation of the typical rock specimens of marble，granite and red sandstone in the elastic range，the following conclusions are drawn: $①$ The three waves exhibit wave velocity with increasing stress.However，when the stress is 30 $%$ of the maximum stress，the wave velocity growth of the three rocks is relatively uniform.When the stress exceeds 30 $%$ of the maximum stress，the growth rate of marble and granite is still consistent，while the rate of growth of red sandstone is steep.Increase the phenomenon. $②$ The wave velocity and stress of the three rocks accord with the linear model.The accuracy of the red sandstone is lower than that of marble and granite.The total energy and elastic energy of the granite are larger than that of marble and red sandstone.The red sandstone has higher dissipative energy than marble and granite. $③$ According to the function of unloading wave velocity-stress and stress-elasticity，the wave velocity-elastic energy model is constructed and verified，the overall effect is better，and the accuracy and accuracy of hard rock are higher than that of soft rock.

Key words: typical rock, rock strength, unloaded wave velocity, elastic energy storage, composite exponential model, quantitative characterization

中图分类号:

TU45

郭春志,马春德,周亚楠,刘泽霖,龙珊. 基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 223-231.

Chunzhi GUO,Chunde MA,Yanan ZHOU,Zelin LIU,Shan LONG. Research on Quantitative Characterization Method of Rock Energy Storage Based on Wave Velocity Measurement[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(2): 223-231.

图/表 11

图1

表1

图2

图3

图4

图5

表2

表3

表4

表5

表6

参考文献 19

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岩石类型	密度/(kg·cm^-3)	单轴抗压强度/MPa	弹性强度上限/MPa	弹性模量/GPa	泊松比
大理岩	2 710	105	84	65	0.24
花岗岩	2 632	121	96	52	0.26
红砂岩	2 426	54	43	12	0.21

岩样加卸载		k₁/(m·MPa^-1·s^-1)	v₀/（m·s^-1）	相关系数（R）
大理岩	1-加载	15.34	5 060	0.976
	2-加载	14.86	5 103	0.967
	3-加载	13.38	5 100	0.989
	平均值-加载	14.53	5 088	0.980
	1-卸载	14.49	5 102	0.977
	2-卸载	14.08	5 106	0.976
	3-卸载	14.14	5 088	0.993
	平均值-卸载	14.24	5 123	0.986
花岗岩	1-加载	9.21	4 568	0.961
	2-加载	8.45	4 623	0.978
	3-加载	8.38	4 576	0.983
	平均值-加载	8.68	4 589	0.979
	1-卸载	8.77	4 616	0.974
	2-卸载	7.97	4 679	0.969
	3-卸载	8.45	4 600	0.984
	平均值-卸载	8.40	4 632	0.979
红砂岩	1-加载	25.97	2 675	0.964
	2-加载	24.82	2 720	0.963
	3-加载	27.97	2 646	0.986
	平均值-加载	26.26	2 680	0.974
	1-卸载	24.05	2 746	0.961
	2-卸载	25.00	2 717	0.967
	3-卸载	27.59	2 660	0.986
	平均值-卸载	25.55	2 708	0.975

岩样加卸载		k₂(J/MPa)	幂指数α	相关系数（R）
大理岩	1-加载	0.003	1.798	0.998
	2-加载	0.003	1.750	0.997
	3-加载	0.003	1.788	0.998
	平均值-加载	0.003	1.778	0.998
	1-卸载	0.003	1.760	0.998
	2-卸载	0.003	1.757	0.998
	3-卸载	0.003	1.794	0.999
	平均值-卸载	0.003	1.770	0.998
花岗岩	1-加载	0.006	1.687	0.999
	2-加载	0.007	1.667	0.999
	3-加载	0.007	1.648	0.999
	平均值-加载	0.009	1.593	0.996
	1-卸载	0.006	1.690	0.999
	2-卸载	0.008	1.621	0.998
	3-卸载	0.007	1.632	0.998
	平均值-卸载	0.007	1.668	0.999
红砂岩	1-加载	0.019	1.704	0.999
	2-加载	0.019	1.700	0.998
	3-加载	0.018	1.724	0.998
	平均值-加载	0.019	1.709	0.998
	1-卸载	0.020	1.671	0.995
	2-卸载	0.019	1.684	0.994
	3-卸载	0.024	1.595	0.999
	平均值-卸载	0.021	1.648	0.997

V/（m·s^-1）	W_理论值/J	W_真实值/J	相对误差/%
6 213.00	8.448	8.496	0.56
6 167.00	7.038	7.523	6.45
6 078.00	6.097	6.593	7.52
6 049.33	5.806	5.714	1.61
6 006.67	5.385	4.907	9.74
5 951.00	4.456	4.136	7.74
5 878.67	3.605	3.420	5.41
5 787.00	3.239	2.760	17.36
5 711.33	2.458	2.175	13.01
5 666.00	2.032	1.646	23.45
5 570.00	1.700	1.178	44.31
5 467.00	1.312	0.777	68.85
5 312.00	0.611	0.449	36.08
5 203.33	0.263	0.211	24.64
5 105.33	0.064	0.080	20.00

V/（m·s^-1）	W_理论值/J	W_真实值/J	相对误差/%
5 385.00	13.196	13.351	1.16
5 306.00	11.601	11.681	0.68
5 274.67	10.789	10.553	2.24
5 241.33	9.615	9.281	3.60
5 207.33	8.059	8.309	3.01
5 190.00	7.647	7.370	3.76
5 138.00	6.341	6.255	1.37
5 106.67	5.530	5.279	4.75
5 088.00	4.608	4.422	4.21
5 063.67	3.984	3.540	12.54
5 003.33	3.195	2.927	9.16
4 967.00	2.555	2.176	17.42
4 889.67	2.038	1.614	26.27
4 799.33	1.410	1.107	27.37
4 752.33	0.589	0.697	15.49
4 694.67	0.121	0.372	67.47
4 668.00	0.036	0.143	74.83

基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究

Research on Quantitative Characterization Method of Rock Energy Storage Based on Wave Velocity Measurement

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V/（m·s^-1）	W_理论值/J	W_真实值/J	相对误差/%
3 610	8.088	8.499	4.84
3 540	7.395	6.819	8.45
3 474	5.959	5.220	14.16
3 362	4.081	3.711	9.97
3 219	2.391	2.372	0.80
2 935	1.025	1.239	17.27
2 773	0.167	0.336	50.30

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