真三维应力下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法

技术领域

本发明属于复合岩体中层理断裂实时监测分析试验方法技术领域，具体地讲，特别涉及一种真三维应力条件下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法。

背景技术

由于地层在形成过程中发生矿物质的不断运移，常常会形成呈层状结构的含层理复合岩体，层理的厚度在几厘米到几米之间，并且在构造运动下层理产生倾斜、弯曲甚至发生破裂。当含层理复合岩体整体受到应力作用时，表现出与单一岩体不同的力学特征，此时，层理的断裂行为显著影响着复合岩体的力学性质和破裂行为。因此，充分认识层理的断裂特征及其在复合岩体力学性质和破裂行为中起到的作用，对地下开挖岩体灾害预警和防控具有至关重要的现实意义。

目前，针对层理断裂的实时监测主要通过高速摄像机进行数字图像的采集，这需要在单轴或双轴应力条件下对含层理复合岩样进行断裂研究，而在实际地层中，复合岩体往往处于三向不等压的状态，即真三维应力状态。室内试验模拟真三维应力环境需要对立方体含层理复合岩样六个面同时施加应力，导致含层理复合岩样的破坏过程无法通过高速摄像机进行监测获取，直接影响到层理断裂特征的研究分析。

缺乏真三维应力条件下层理断裂过程的可视化实时监测试验方法，无法通过室内模拟试验实时获得真三维应力条件下层理断裂演化特征。

发明内容

本发明拟提供一种真三维应力条件下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法，用于研究真三维应力条件下层理断裂扩展特征，为地下复合岩体开挖失稳防治提供科学依据。

为此，本发明所采用的的技术方案为：一种真三维应力条件下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、含层理复合岩样准备；

所述的含层理复合岩样(11)包含但不限于砂岩和煤，其中煤作为复合岩样中力学性质较弱的层理(12)，层理厚度根据试验需求进行制作。将大块砂岩和煤切割打磨成预制厚度，利用环氧树脂将其黏结为砂岩和煤交替变换的大块复合岩样，然后根据试验方案设计，对大块复合岩样进行不同角度的切割，控制其尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，并打磨各端面使其平整度在0.02mm以内，最后在50°温度下烘干48小时后，冷却至常温备用。

步骤二、真三维应力条件下层理断裂实时监测试验装置的安装；

所述的真三维应力条件下层理断裂实时监测试验装置包括超高强度特种透明材料(1)、微型高清摄像机(2)、照明灯带(3)、防撞橡胶(4)、内六角固定螺丝(5)。超高强度特种透明材料(1)通过内六角螺丝(5)固定于多功能真三轴流固耦合试验系统(6)中的力加载压头(8)上，在力加载压头(8)中心位置钻取直径50mm的孔，在微型高清摄像机(2)四周粘贴防撞橡胶(4)，并安置于孔内，照明灯带(3)固定在已进行开凹槽的超高强度特种透明材料(1)两侧；

所述多功能真三轴流固耦合试验系统(6)主要包括真三轴应力加载室(7)、六个力加载压头(8)、高精度液压伺服油缸(9)、滑轨支撑平台(10)，六个力加载压头(8)与液压伺服油缸(9)组合为一个整体布置在真三轴应力加载室(7)上下、左右、前后方向，前后方向的力加载压头(8)中心位置钻取直径50mm的孔以便安装微型高清摄像机(2)，滑轨支撑平台(10)在真三轴应力加载室(7)下方穿过用于支撑高精度液压伺服油缸(9)，真三轴应力加载室(7)用于放置含层理复合岩样(11)。

步骤三、含层理复合岩样在多功能真三维流固耦合试验系统上的安装；

将制备好的含层理复合岩样(11)放置于真三轴应力加载室(7)中，将照明灯带(3)与移动电源连接以提供照明光源，调试微型高清摄像机(2)使之能够清晰拍摄含层理复合岩样(11)的一整面，推动真三轴应力加载室(7)上下、左右和前后方向的力加载压头(8)，使其与含层理复合岩样(11)接触以固定岩样，然后通过螺丝将高精度液压伺服油缸(9)与真三轴应力加载室(7)相连接。

步骤四、施加真三维应力；

通过真三轴应力加载室(7)上下、左右和前后的六个力加载压头(8)对含层理复合岩样(11)施加真三维应力至预定值。

步骤五、岩样压缩破坏；

保持真三轴应力加载室(7)前后、左右方向的应力稳定，逐渐增大真三轴应力加载室(7)上下方向的应力直至含层理复合岩样(11)发生破坏，在此过程中通过微型高清摄像机(2)实时拍摄岩样破坏过程中层理断裂的高清数字图像。

步骤六、整理试验数据；

基于微型高清摄像机(2)拍摄的层理断裂的高清数字图像分析不同角度、不同应力和不同厚度等条件下层理断裂扩展特征，计算层理断裂产生的裂隙分形维数演化特征等；

优选的，所述多功能真三轴流固耦合试验系统为现有的成熟设备，可模拟复杂扰动应力下的岩石破坏；

优选的，所述超高强度特种透明材料(1)光学透明度达90％以上，且其尺寸为100mm×100mm×100mm时可承受20MPa的应力，能够满足试验要求；

优选的，所述超高强度特种透明材料(1)两侧进行了掏槽处理，以安装照明灯带(3)；

优选的，所述照明灯带(3)可为在真三轴应力加载室(7)中的微型高清摄像机(2)提供照明；

优选的，所述高强度特种透明材料(2)通过内六角固定螺丝(5)固定在力加载压头(8)上；

优选的，所述微型高清摄像机(2)安装于力加载压头(8)中心开孔内，并通过橡胶防撞条(4)确保其在试验过程中的安全稳定工作；

优选的，所述微型高清摄像机(2)透过超高强度特种透明材料(1)对含层理复合岩样(11)进行层理断裂过程的实时拍摄并传输；

优选的，所述含层理复合岩样(11)的尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试样。

本发明的有益效果：

(1)通过超高强度特种透明材料对含层理复合岩样施加应力，利用微型高清摄像机透过超高强度特种透明材料记录层理断裂过程的实时图像，既能够模拟真三维应力状态，又可以利用记录的实时图像进行层理断裂扩展和新生裂隙分形维数演化特征的分析，结构简单，安装方便，可操作性强，成本低，且可靠性高。

(2)在超高强度特种透明材料表面开凹槽安装照明灯带，利用充电宝提供照明电源，有效解决了在密闭腔体中微型高清摄像机工作的照明条件。

附图说明

图1为本发明的一种真三维应力条件下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法流程图。

图2为本发明采用的多功能真三轴流固耦合试验系统及层理断裂实时监测系统的结构示意图。

图3为本发明装置中高精度液压缸与力加载压头截面的结构示意图。

图4为本发明装置中高强度特种透明材料两侧开槽安装照明灯带的结构示意图。

图5为高强度特种透明材料正面结构示意图。

图6为真三轴应力加载室结构及层理岩样安装示意图。

图7为含层理复合岩样制作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施例是示例性的，以便充分理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。

一种真三维应力条件下层理断裂可视化实时监测分析的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、含层理复合岩样准备；

所述的含层理复合岩样(11)包含但不限于砂岩和煤，其中煤作为复合岩样中力学性质较弱的层理(12)，层理厚度根据试验需求进行制作。将大块砂岩和煤切割打磨成预制厚度，利用环氧树脂将其黏结为砂岩和煤交替变换的大块复合岩样，然后根据试验方案设计，对大块复合岩样进行不同角度的切割(如图7所示)，控制其尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，并打磨各端面使其平整度在0.02mm以内，最后在50°温度下烘干48小时后，冷却至常温备用。

步骤二、真三维应力条件下层理断裂实时监测试验装置的安装；

真三维应力条件下层理断裂实时监测试验装置(如图2所示)包括超高强度特种透明材料(1)、微型高清摄像机(2)、照明灯带(3)、防撞橡胶(4)、内六角固定螺丝(5)。超高强度特种透明材料(1)通过内六角螺丝(5)固定于多功能真三轴流固耦合试验系统(6)中的力加载压头(8)上，在力加载压头(8)中心位置钻取直径50mm的孔，在微型高清摄像机(2)四周粘贴防撞橡胶(4)，并安置于孔内，照明灯带(3)固定在已进行开凹槽的超高强度特种透明材料(1)两侧；

多功能真三轴流固耦合试验系统(6)(如图2所示)主要包括真三轴应力加载室(7)、六个力加载压头(8)、高精度液压伺服油缸(9)、滑轨支撑平台(10)，六个力加载压头(8)与液压伺服油缸(9)组合为一个整体布置在真三轴应力加载室(7)上下、左右、前后方向，前后方向的力加载压头(8)中心位置钻取直径50mm的孔以便安装微型高清摄像机(2)，滑轨支撑平台(10)在真三轴应力加载室(7)下方穿过用于支撑高精度液压伺服油缸(9)，真三轴应力加载室(7)用于放置含层理复合岩样(11)。

步骤三、含层理复合岩样在多功能真三维流固耦合试验系统上的安装；

将制备好的含层理复合岩样(11)放置于真三轴应力加载室(7)中，将照明灯带(3)与移动电源连接以提供照明光源，调试微型高清摄像机(2)使之能够清晰拍摄含层理复合岩样(11)的一整面，推动真三轴应力加载室(7)上下、左右和前后方向的力加载压头(8)，使其与含层理复合岩样(11)接触以固定岩样，然后通过螺丝将高精度液压伺服油缸(9)与真三轴应力加载室(7)相连接。

步骤四、施加真三维应力；

通过真三轴应力加载室(7)上下、左右和前后的六个力加载压头(8)对含层理复合岩样(11)施加真三维应力至预定值。

步骤五、岩样压缩破坏；

保持真三轴应力加载室(7)前后、左右方向的应力稳定，逐渐增大真三轴应力加载室(7)上下方向的应力直至含层理复合岩样(11)发生破坏，在此过程中通过微型高清摄像机(2)实时拍摄岩样破坏过程中层理断裂的高清数字图像。

步骤六、整理试验数据；

基于微型高清摄像机(2)拍摄的层理断裂的高清数字图像分析不同角度、不同应力和不同厚度等条件下层理断裂扩展特征，计算层理断裂产生的裂隙分形维数演化特征等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，但不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。