[发明专利]检测岩石微裂纹的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对深部工程岩石微观结构进行检测的检测岩石微裂纹的方法。

背景技术

由于深部地应力复杂，应力水平高，深部岩石隐性裂纹和浅部岩石比较，更易于影响到岩石的力学行为。如果说浅部岩体破坏一般是渐进的、且在临近破坏时往往表现出变形加剧现象、破坏前兆明显的话，那么在深部条件下，岩体破坏则具有强烈的冲击破坏性质，其动力响应的破坏过程往往是突发的、无前兆的突变过程。这种过程，在巷道中表现为大范围巷道的突然坍塌和失稳，在工作面中则表现为顶板的突然大面积冲击来压，导致的工程灾害十分严重。这主要是因为处于深部环境的岩石在工程力扰动下，大的构造层次由于其裂缝宽、强度低，岩石首先在这一层次上开始变形破坏，随着时间的延伸，低一级的构造层次也逐渐参与到岩石的变形破坏中。岩石埋藏越深，所处的应力环境越复杂，应力水平越高，参与岩石变形破坏的构造层次也越低。

岩石微裂纹的检测分为直接检测法和间接检测法。直接检测法是一种有害的检测方法，它们的制样加剧了岩石的损伤，对最终结果造成影响，而且仅限于平面测量，不能有效的检测材料的三维损伤情况。检测间接检测法的缺点是对岩石裂纹判断的精度不高，岩石很多细微的变化不能显示出来。

电阻率法只能测量连通的孔隙，对于不连通孔隙或者孤立的岩石孔洞却无能为力。最早应用交流电测量岩石等多孔介质的界面特性是Cole等，由于当时还没有恒电位仪，他们采用电解常数ε′和电解损耗因子ε″来描述砂岩和石灰岩在交流电下界面的变化特征。Cole测量了自然含水下砂岩和石灰岩在中高频段的电解常数变化特征，并从试验中求出q和τ₀的近似值。后人认为：指数q可以代表多孔介质界面的驰豫过程。用电解参数来检测水泥或混凝土的特性也有很长历史，主要使用固定频率来检测水泥或混凝土的微结构特征和混凝土的响应。

20世纪50年代诞生了恒电位仪，对于研究岩石等介质的不可逆电极过程提供了方便，但是交流阻抗的测量要求恒电位仪必须有足够的响应速度和小的零点漂移。由于天然材料的多孔介质成分复杂，可能出现负电阻，更需要有控制电位性能良好的恒电位仪，所以，直到70年代才应用恒电位仪来测量不可逆电极的阻抗，但是主要应用在铁、铬、镍、钛等金属电极的钝化研究。一直到上世纪90年代，交流阻抗的测量才开始大面积应用在水泥系材料等多孔介质的测量中，借此来间接测量这些材料的内部结构。

在国内，上海硅酸盐研究所和同济大学等也有人利用ACIS来研究水泥等多孔介质的微结构，但只是局限于水泥水化过程中介质微结构的变化。

岩石的交流阻抗检测多集中应用于高温高压的深部岩体。Nover等设计了方解石在等静压和三轴压力下的实验，并且使用交流阻抗谱作为工具检测了水饱和岩石中的破裂，结果发现交流阻抗谱对于检测裂隙是一种非常敏感的工具。他们在实验中发现，当对方解石的压力加至9MPa时，方解石发生了破裂，而在方解石破裂前，即压力加至8.7MPa的时候，出现了前兆信号，主要表现为反映界面极化的电容在破裂前增加了一个数量级以上。这是因为压力(应力)诱使微结构发生了变化，破坏了原来的连通性，并且进一步影响了渗透性和导电性。虽然，他们的实验由于数据的缺乏，只给出了岩石极化的大致图形，但却让人们相信交流阻抗谱对于认识岩石破裂前兆是一种非常有效的工具。

目前，利用电化学方法测试材料的表面或界面情况一般采用三电极装置，即工作电极、参比电极和辅助电极，通过测量工作电极的电化学阻抗谱的变化来分析其表面状态，如研究腐蚀金属电极表面形成固体腐蚀物时，如果界面电容较小时，则认为金属表面形成致密的钝化膜，对于防腐材料则是较好的结果；如果界面电容较大时，则认为金属表面上生成疏松多孔的含水固体腐蚀产物，对于防腐材料则是较差的结果。根据上述理论，对三电极装置进行改装，把岩石试块作为工作电极，利用测量阻抗谱的变化来研究岩样内部微细裂纹的分布状态。这样既可以避免直接检测法的制样对岩石原来状态的损伤，又可以弥补检测间接检测法精度不高的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对深部岩石工程变形破坏、稳定性都和岩石的微观结构尤其是微裂纹的多少和空间展布紧密相连，而现有检测技术很难奏效的特点而提供一种思路清晰、装置简便、易于操作的检测岩石微裂纹的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种检测岩石微裂纹的方法，其特征在于：包括电解溶液配制、岩石试样安装、岩石交流阻抗谱数据采集和数据拟合分析四个过程：