地下空间覆岩动力灾害预警方法与流程

技术特征：

1.一种地下空间覆岩动力灾害预警方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)垂直安装位置的确定；

以地质勘探资料为依据，选择承载能力最大的岩层，将“岩层倾角监测仪”安装于该岩层中；

(2)确定“岩层倾角监测仪”走向安装位置，走向安装位置即“岩层倾角监测仪”距离初始开挖处的距离；

(3)确定“岩层倾角监测仪”倾向安装位置；

(4)安装“岩层倾角监测仪”；

(5)确定预期断裂位置；

将“岩层倾角监测仪”安装后，进行置零，当开挖至步骤(2)确定的走向安装位置时，记录第一组倾角数据；

随着开挖空间的不断推进扩大，每推进5m记录下一组倾角数据，将采集的n组倾角数据及相应的推进度增加量数据带入“断裂位置计算函数1”，可得到地下空间覆岩端部预期断裂位置；

断裂位置计算函数1为：

求解步骤：θ₁，θ₂联立求解得x₁；θ₂，θ₃联立求解得x₂；θ₃，θ₄联立求解得x₃，以此类推，直至所求的x_n＝x_n-1＝x_n+1，则此x_n即为所求；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{EI}(M_{1}x-\frac{1}{2}{Q}_1{x}^2+\frac{1}{6}{q}_1{x}^3-M_1{L}_1+\frac{1}{2}{Q}_1{L_1}^2-\frac{1}{6}{q}_1{L_1}^3)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\frac{1}{EI}(M_{2}x-\frac{1}{2}{Q}_2{x}^2+\frac{1}{6}{q}_2{x}^3-M_2{L}_2+\frac{1}{2}{Q}_2{L_2}^2-\frac{1}{6}{q}_2{L_2}^3)\\ {\mathrm{\θ}}_3=\frac{1}{EI}(M_{3}x-\frac{1}{2}{Q}_3{x}^2+\frac{1}{6}{q}_3{x}^3-M_3{L}_3+\frac{1}{2}{Q}_3{L_3}^2-\frac{1}{6}{q}_3{L_3}^3)\\ {\mathrm{\θ}}_4=\frac{1}{EI}(M_{4}x-\frac{1}{2}{Q}_4{x}^2+\frac{1}{6}{q}_4{x}^3-M_4{L}_4+\frac{1}{2}{Q}_4{L_4}^2-\frac{1}{6}{q}_4{L_4}^3)\\ ......\end{array}\right.$

式中：

M_n：第n次开挖后，监测仪所安装岩层预期断裂截面处弯矩，见计算式①；

Q_n：第n次开挖后，监测仪所安装岩层预期断裂截面处剪力，见计算式②；

L_n：第n次开挖后，监测仪所安装岩层的悬空跨度，见计算式③；

x：监测点距离岩层端部断裂点的距离；

q_n：第n次开挖后，监测仪所安装岩层受到的均布载荷，见计算式④；

E：监测仪所安装岩层的弹性模量；

I：监测仪所安装岩层的惯性矩。

计算式：①

$\begin{array}{c}{M}_n=f_{c1}{x}_{c1}^{2}e\{\left(\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+2\right)e^{-\frac{l_w+l_w{x}_{c1}}{x_{c1}}}-\[\frac{L_n+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+\\ 2+\frac{L_n}{x_{c1}}\left(\frac{L_n+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)\]e^{-\frac{L_n+l_w+l_w{x}_{c1}}{x_{c1}}}\}+\frac{q_n{L_n}^2}{2}\end{array}$

计算式：②

$Q_n=f_{c1}{x}_{c1}e\[\left(\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)e^{-\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}}-\left(\frac{L_n+1_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)e^{-\frac{L_n+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}}\]+q_n{L}_n$

计算式：③

L_n＝L₁+Δl_n

计算式：④

q_n＝q₀L_n

式中：

f_c1：超前载荷峰值系数(取值：10⁶～10⁷N/m)；

x_c1：超前载荷增量系数(取值：1～10m)；

l_w：弹性地基长度；

L₁：第一次开挖后，监测仪所安装岩层悬空距离；

Δl_n：前n次的累计推进距离，Δl_n＝5n；

q₀：单位均布载荷；

(6)岩层极限转角的确定

根据地质勘探资料将监测仪安装岩层的物理力学性质，及在步骤(5)中确定的断裂位置，代入“极限转角计算函数2”，可得到“岩层倾角监测仪”安装位置的极限断裂转角；

“极限转角计算函数2”为；

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{M_{0}x-\frac{1}{2}{Q}_0{x}^2+\frac{1}{6}{q}_{max}{x}^3-M_0{L}_{max}+\frac{1}{2}{Q}_0{L_{\max }}^2-\frac{1}{6}{q}_{\max }{L_{\max }}^3}{EI}$

式中：

M₀：监测仪所安装岩层预期断裂截面处弯矩，见计算式⑤；

Q₀：监测仪所安装岩层预期断裂截面处剪力，见计算式⑥；

L_max：预期断裂跨度，见计算式⑦；

x：断裂点位置；

q_max：均布载荷，见计算式⑧；

E：监测仪所安装岩层的弹性模量；

I：监测仪所安装岩层的惯性矩。

计算式：⑤

$\begin{array}{c}{M}_0=f_{c1}{x}_{c1}^{2}e\{\left(\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+2\right)e^{-\frac{l_w+l_w{x}_{c1}}{x_{c1}}}-\[\frac{L_{\max }+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+2+\\ \frac{L_{\max }}{x_{c1}}\left(\frac{L_{\max }+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)\]e^{-\frac{L_{\max }+l_w+l_w{x}_{c1}}{x_{c1}}}\}+\frac{q_0{L_{\max }}^2}{2}\end{array}$

计算式：⑥

$\begin{array}{c}{Q}_0=f_{c1}{x}_{c1}e\[\left(\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)e^{-\frac{l_w+x_{c1}}{x_{c1}}}-\\ \left(\frac{L_{\max }+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}+1\right)e^{-\frac{L_{\max }+l_w+x_{c1}}{x_{c1}}}\]+q_0{L}_{\max }\end{array}$

计算式：⑦

$L_{max}=\sqrt{\frac{2{h_k}^2\[{\mathrm{\σ}}_t\]}{(h_k{\mathrm{\γ}}_k+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i{\mathrm{\γ}}_i)}}$

计算式：⑧

q_max＝q₀L_max

h_k：监测仪所安装岩层厚度；

γ_k：监测仪所安装岩层容重；

[σ_t]：监测仪所安装岩层抗拉强度；

h_i：第i层随动岩梁厚度(共n层随动层)；

γ_i：第i层随动岩梁容重(共n层随动层)；

q₀：单位均布载荷；

f_c1：超前载荷峰值系数(取值：10⁶～10⁷N/m)；

x_c1：超前载荷增量系数(取值：1～10m)；

l_w：弹性地基长度；

(7)断裂发生的监测预警；

根据实时监测到的倾角数据，参考在步骤(6)中计算得到的极限转角值，判断是否接近断裂状态，提前做出预警。

2.根据权利要求1所述地下空间覆岩动力灾害预警方法，其特征在于：当存在若干岩层均具有较大承载能力，应选择埋深最深的岩层。

3.根据权利要求1所述地下空间覆岩动力灾害预警方法，其特征在于：根据RQD岩石工程分级等级和岩层平均厚度确定岩层的A-E强度分级；进而根据分级结合相应的岩层埋深确定走向安装位置。

4.根据权利要求1所述地下空间覆岩动力灾害预警方法，其特征在于：“岩层倾角监测仪”沿岩层倾向的安装位置，分为单一开挖、一侧已开挖，两侧已开挖，即：首采面、一侧采空区工作面孤岛工作面，三种情况；

单一开挖及两侧已开挖情况下，“岩层倾角监测仪”安装于本开挖空间的中央位置；一侧已开挖的情况下，“岩层倾角监测仪”安装于距离已开挖空间侧0.25a位置，其中，a为：开挖空间宽度。

5.根据权利要求1所述地下空间覆岩动力灾害预警方法，其特征在于：“岩层倾角监测仪”的安装分为地面钻孔安装与井下钻孔安装两种方式:

地下开挖空间距地表<150m：

地面至安装岩层垂直距离<井下至安装岩层垂直距离2倍时优选地面钻孔安装方式，采用地表打钻安装；

地下开挖空间距地表>150m：

地面至安装岩层垂直距离<井下至安装岩层垂直距离1.5倍时优选地面钻孔安装方式，采用地表打钻安装；

钻孔完成后，将“岩层倾角监测仪”安装于预定位置并将钻孔注浆封孔。