(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111529102.9 (22)申请日 2021.12.15 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113935101 A (43)申请公布日 2022.01.14 (73)专利权人 中国矿业大 学 （北京） 地址 100000 北京市海淀区学院路丁1 1号 (72)发明人 杨柳　毛玉铤　孟思炜　王炯　 刘冬桥　曹刚　高扬　王素玲　 何满潮　 (74)专利代理 机构 北京和信华成知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11390 代理人 焦海峰 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G01N 3/30(2006.01)G01N 3/44(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 112179769 A,2021.01.0 5 CN 102636398 A,2012.08.15 CN 110130924 A,2019.08.16 CN 112989634 A,2021.0 6.18 US 2020003052 A1,2020.01.02 张晓君.高应力硬岩卸荷岩爆模式及损伤演 化分析. 《岩土力学》 .2012,第3 3卷(第12期), 3554-3560. Erik Camposi lvan等.Size and plasticity ef fects in zirconia micropillars compres sion. 《Acta Material ia》 .2016,第10 3卷882-892. 审查员 张春洁 (54)发明名称 一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤 劣度的方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于纳米压痕实验评价 岩爆局部损伤劣度的方法， 获取岩样以及一级岩 屑； 对岩样切割打磨取岩心， 并收集切割打磨过 程中产生的二级岩屑； 对加工后的岩样进行三向 六面加载， 且加载载荷一定时向加工后的岩样内 充气精准爆 破进行冲击岩爆试验， 挑选冲击岩爆 试中的三级岩屑； 对三种岩屑抛光加工， 获得平 整度高的样品； 分别获取三种岩屑的点损伤参 数、 面损伤参数以及体损伤参数； 将构建标准岩 心模型并进行单轴压缩， 得到压裂效果， 经过多 次模拟反演得到岩石脆性指数； 通过三参数损伤 评价分别计算三种岩屑的屑损伤度； 本发明通过 纳米压痕及纳米划痕对岩屑进行微观力学性质 分析得到三层损伤参数， 准确得到岩石损伤评价 和损伤劣度。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 113935101 B 2022.03.04 CN 113935101 B 1.一种基于纳米压痕 实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤100、 现场原位取样， 对未 经扰动过的一级岩屑取样获取 大块岩样； 步骤200、 岩样加工， 对大块岩样切割打磨取岩心， 并收集切割打磨过程中产生的二级 岩屑； 步骤300、 岩爆试验， 对加工后的岩样进行三向六面加载， 且加载载荷一定时向加工后 的岩样内充气精准爆破， 更改对岩样的载荷加载方式以进行冲击岩爆试验， 挑选冲击岩爆 试中的三级岩屑； 步骤400、 岩屑加工， 对所述一级岩屑、 二级岩屑和三级岩屑进行氩离子抛光加工， 获得 平整度高的样品； 步骤500、 岩损 伤试验， 分别获取所述一级岩屑、 二级岩屑和三级岩屑的点损 伤参数K1、 面损伤参数 K2以及体损伤参数 K3； 步骤600、 三参数损伤评价， 通过离散元数值模拟软件PFC获得整体损伤指数B与损伤参 数K1、K2、K3的关系； 在步骤600中， 通过离散元数值模拟软件PFC获得整体损伤指数B与损伤参数 K1、K2、K3的 关系， 具体的实现方法为： 将纳米压痕获得的微观力学性质弹性模量 E、 硬度H、 断裂韧性 Kc、 非均质性 m， 纳米划痕 获得的折算宏观力学性质水平层理弹性模量 Eh、 平行层理弹性模量 Ev赋予PFC中的颗粒簇， 构建标准试验尺寸的岩芯模型， 将 所述岩芯模型经过P FC多次单轴压缩模拟反演以得到 K1、 K2、K3的权重系数， 进 而得到整体损伤指数 B， 且岩石整体损伤指数 B的计算公式为： ； 式中， 1、 2、 3为权重系数， 分别表示点损伤参数、 面损伤参数、 体损伤参数对整体岩 石损伤的贡献程度， K1、K2、K3分别为点损伤参数、 面损伤参数和体损伤参数； 步骤700、 损伤劣化评价， 通过三参数损伤评价分别计算所述一级岩屑、 二级岩屑和三 级岩屑的屑损伤度； 在步骤700中， 利用三参数损伤评价分别计算一级岩屑的损伤指数B1、 二级岩屑的损伤 指数B2以及三级岩屑的损伤指数B3， 即开挖造成的损伤劣度为 ， 室内岩爆造成的 损伤程度为 ， 总损伤劣度为 。 2.根据权利要求1所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 在步骤200中， 对岩样切割打磨取岩心后形成立体形状， 并在立体形状的岩样中心 预留CO2气爆孔。 3.根据权利要求2所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 在 步骤300中， 通过岩爆实验仪对加工后的岩样进行三向六面加载， 在三向应力σH、 σv以及σh达到设定值时， 通过预留气爆孔进行CO2精准爆破， 以在加 工后的岩样中心形成孔 洞； 然后在孔洞加工后的岩 样施加余弦扰动载荷， 进行冲击岩爆试验。 4.根据权利要求3所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 在所述岩爆实验仪的加载腔内预设的多台高速摄影仪， 观测岩爆时岩屑崩落现象， 通过所述高速摄影仪捕捉岩屑运动轨迹， 并记录崩落距离并将获得的三级岩屑按照不同的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 113935101 B 2崩落距离进行编号， 基于崩落距离 筛选用于冲击岩爆试的所述 三级岩屑。 5.根据权利要求1所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 在步骤500中， 所述点损伤参数 K1代表压痕点处的强度损伤程度， 当动态加载的载 荷逐渐增加至最大载荷时， 所述一级岩屑 、 二级岩屑和三级岩屑的压痕处逐渐变为复合矿 物， 所述点损伤参数 K1的计算公式为： ； 其中，hs为压痕边缘最大不可恢复变形， Er为所述一级岩屑、 二级岩屑和三级岩屑的弹 性模量，H为所述一级岩屑、 二级岩屑和三级岩屑的硬度， KC2为所述一级岩屑、 二级岩屑和三 级岩屑的断裂韧性； hs为压痕边缘最大不可恢复变形， 通过压头尺寸及压痕卸载段斜率得到压痕边缘最大 不可恢复变形hs： ； 式中， 为形状因子， 取决于 压头形状，Pmax为最大载荷，S为卸载段斜率。 6.根据权利要求5所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 通过Ol iver方法分别计算压痕点处的弹性模量 Er和硬度H： ； ； 式中，β为几何参数， Ac为压痕接触面积， S为卸载段斜率，Pmax为最大载荷； 通过能量分析 方法获得断裂韧性 Kc： ； 式中，Ufrac为临界能量释放率， 通过加载段与卸载段 的弹塑性能计算得到， Er为所述一 级岩屑、 二级岩屑和三级岩屑的弹性模量， Ac为压痕接触面积。 7.根据权利要求1所述的一种基于纳米压痕实验评价岩爆局部损伤劣度的方法， 其特 征在于： 在步骤500中， 所述面损伤参数K2表示布置压痕点的岩石表面损伤程度， 所述面损 伤参数K2的计算公式为： ； 式中，β为纳米压痕网格中断裂型压痕占比， m为非均质性系数； 纳米压痕云图直观反应岩石表面非均质性， 计算所述纳米压痕云图的网格压痕获得的 多个压痕点的非均质性系数m： ；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 113935101 B 3