一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统及方法与流程

本发明涉及岩爆预警，具体而言，涉及一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统及方法。

背景技术：

1、当前进行断层型岩爆监测预警的方法包括岩石力学法、经验类比及理论分析法、采矿法和地球物理法等，其中采矿法和地球物理法最为广泛应用，但对断层的直接监测较少。

2、现阶段锚索施工技术已广泛应用在各种工程中，特别是在边坡、地下洞室、深基坑支护等方面取得了显著的效果。断层型岩爆有其自身特点，由于断层是发生断层型岩爆的重要力源，因此如果现场能对断层进行直接监测可以做到更早期岩爆预警。但是现有锚索应力监测方法无法准确地定位造成岩爆的力源位置，且测试出的应力大小偏差较大，导致岩爆预警的效果不佳。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是现有锚索应力监测方法的岩爆预警的效果不佳。

2、为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，包括锚索和数据监测采集仪，所述锚索的一端用于穿设在硐室周围的岩体内，所述锚索的另一端与所述数据监测采集仪电性相连，所述硐室的横截面上均匀布设有多个所述锚索；

3、所述锚索包括内部支撑件、应变片、弹性件、外层保护管和电线，所述应变片设置在所述内部支撑件和所述外层保护管之间，多个所述应变片沿所述内部支撑件的圆周方向和轴线方向均匀设置在所述内部支撑件表面，多个所述弹性件构成一组传导组件，所述外层保护管的内壁上设置有多组所述传导组件，多个所述应变片与多组所述传导组件一一对应设置，多个所述应变片与所述数据监测采集仪电性相连。

4、可选地，所述应变片包括阵列设置的多个子应变片，与所述应变片对应设置的所述传导组件中的多个所述弹性件一一对应于所述应变片中的多个所述子应变片设置，每个所述子应变片分别与所述数据监测采集仪电性相连。

5、可选地，所述内部支撑件包括钢绞线和内层保护管，多股所述钢绞线缠绕设置在所述内层保护管中，所述内层保护管的表面沿圆周方向均匀设置有多个所述应变片。

6、可选地，所述弹性件靠近所述应变片的一端上安装有端头。

7、另外一方面，本发明还提供了一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，基于上述基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，包括：

8、获取锚索穿设入硐室内后每个应变片的初始应力值；

9、根据实时获取的所述应变片的实时应力值和所述初始应力值，确定每个所述应变片的实际应力值；

10、分析多个所述应变片的实际应力值，确定所述硐室周围岩体的应力源应力值和应力源位置；

11、根据所述应力源应力值和所述应力源位置，生成岩爆预警信息。

12、可选地，所述根据实时获取的所述应变片的实时应力值和所述初始应力值，确定每个所述应变片的实际应力值包括：

13、将所述应变片的实时应力值减去所述初始应力值，得到每个所述应变片的实际应力值。

14、可选地，所述分析多个所述应变片的实际应力值，确定所述硐室周围岩体的应力源应力值和应力源位置包括：

15、根据每根所述锚索上的所述应变片的轴向编码，按序比较每根所述锚索上任一相同周向编码的多个所述应变片的所述实际应力值，确定多个所述实际应力值中轴向最大应力值，其中，每个所述应变片的编码包括所述轴向编码和所述周向编码；

16、分别统计所述轴向最大应力值对应的所述应变片轴向两侧的应变片数量，其中，所述应变片数量包括第一应变片数量和第二应变片数量；

17、当所述第一应变片数量和所述第二应变片数量均大于2时，根据所述实际应力值的变化趋势，从所述轴向最大应力值对应的所述应变片轴向两侧分析每根所述锚索上的理论极值和所述理论极值的位置；

18、当所述第一应变片数量与所述第二应变片数量不同时大于2时，根据所述实际应力值的变化趋势，从所述轴向最大应力值对应的所述应变片一侧分析每根所述锚索上的所述理论极值和所述理论极值的位置；

19、分析多根所述锚索上的所述理论极值和所述理论极值的位置，确定所述应力源应力值和所述应力源位置。

20、可选地，所述当所述第一应变片数量和所述第二应变片数量均大于2时，根据所述实际应力值的变化趋势，从所述轴向最大应力值对应的所述应变片轴向两侧分析每根所述锚索上的理论极值和所述理论极值的位置包括：

21、当所述第一应变片数量和所述第二应变片数量均大于2时，根据所述实际应力值的变化趋势和所述轴向最大应力值对应的所述应变片轴向两侧的多个所述应变片的所述实际应力值，得到两个反演极值；

22、比较两个所述反演极值和所述轴向最大应力值，将三者中最大的数值选定为所述锚索对应的所述理论极值；

23、根据选定的所述理论极值，分析所述应力源位置。

24、可选地，所述分析多根所述锚索上的所述理论极值和所述理论极值的位置，确定所述应力源应力值和所述应力源位置包括：

25、根据所述锚索的布设顺序，按序比较多根所述锚索对应的所述理论极值，筛选出最大的所述理论极值，记为最大理论极值；

26、将所述最大理论极值所在的位置作为所述应力源位置，将所述最大理论极值作为所述应力源应力值。

27、可选地，所述根据所述应力源应力值和所述应力源位置，生成岩爆预警信息包括：

28、将所述应力源位置与所述硐室内边缘之间的距离标准化，得到标准化系数；

29、将所述应力源应力值与所述标准化系数相乘得到标准化应力值；

30、根据所述标准化应力值所处的预设应力范围，得到所述应力源所处的岩爆级别。

31、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

32、本发明提供的一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，通过在硐室的截面处设置多个锚索，锚索会穿过岩体内存在的断层面，当断层面处发生岩石位移，会对锚索造成挤压，使得锚索产生弯曲变形，此时锚索变形处的弹性件向应变片靠拢并挤压应变片，锚索上的多个应变片将数据传回数据监测采集仪，获得多个应变片对应的实际应力值，通过分析多根锚索上多个实际应力值的变化情况，即使弯曲变形位置与锚索接触位置处没有应变片，也能够获得更接近真实应力源应力值的应力和应力源位置，从而提高岩爆预警的效果；

33、本发明还提供一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，通过在与掘进面平行的截面上均布设置锚索，通过在锚索内有规律的设置多个应变片，获取岩体内锚索上的应变片因变形产生的应力值，由于多个应变片是规律分布的，通过分析多个所述应变片的实际应力值，确定所述硐室周围岩体的应力源应力值和应力源位置，然后使用与真实应力情况接近的所述应力源应力值和所述应力源位置，生成岩爆预警信息，用于岩爆的预测，提高岩爆预警的效果。

技术特征：

1.一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，其特征在于，包括锚索(2)和数据监测采集仪(6)，所述锚索(2)的一端用于穿设在硐室(4)周围的岩体(3)内，所述锚索(2)的另一端与所述数据监测采集仪(6)电性相连，所述硐室(4)的横截面上均匀布设有多个所述锚索(2)；

2.根据权利要求1所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，其特征在于，所述应变片(8)包括阵列设置的多个子应变片，与所述应变片(8)对应设置的所述传导组件中的多个所述弹性件(10)一一对应于所述应变片(8)中的多个所述子应变片设置，每个所述子应变片分别与所述数据监测采集仪(6)电性相连。

3.根据权利要求1所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，其特征在于，所述内部支撑件包括钢绞线(7)和内层保护管(9)，多股所述钢绞线(7)缠绕设置在所述内层保护管(9)中，所述内层保护管(9)的表面沿圆周方向均匀设置有多个所述应变片(8)。

4.根据权利要求1所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，其特征在于，所述弹性件(10)靠近所述应变片(8)的一端上安装有端头(11)。

5.一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统，包括：

6.根据权利要求5所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，所述根据实时获取的所述应变片(8)的实时应力值和所述初始应力值，确定每个所述应变片(8)的实际应力值包括：

7.根据权利要求5所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，所述分析多个所述应变片(8)的实际应力值，确定所述硐室(4)周围岩体的应力源应力值和应力源位置包括：

8.根据权利要求7所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，所述当所述第一应变片(8)数量和所述第二应变片(8)数量均大于2时，根据所述实际应力值的变化趋势，从所述轴向最大应力值对应的所述应变片(8)轴向两侧分析每根所述锚索(2)上的理论极值和所述理论极值的位置包括：

9.根据权利要求8所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，所述分析多根所述锚索(2)上的所述理论极值和所述理论极值的位置，确定所述应力源应力值和所述应力源位置包括：

10.根据权利要求5所述的基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警方法，其特征在于，所述根据所述应力源应力值和所述应力源位置，生成岩爆预警信息包括：

技术总结
本发明提供了一种基于穿断层锚索应力变化的岩爆防控预警系统及方法，涉及岩爆预警技术领域，所述系统包括锚索和数据监测采集仪，锚索的一端穿设在硐室周围的岩体内，锚索包括内部支撑件，应变片、弹性件、外层保护管和电线。通过在硐室的截面处设置多个锚索，锚索会穿过岩体内存在的断层面，当断层面处发生岩石位移，使得锚索产生弯曲变形，此时锚索变形处的弹性件向应变片靠拢并挤压应变片，锚索上的多个应变片将数据传回数据监测采集仪，获得多个应变片对应的实际应力值，分析多根锚索上多个实际应力值的变化情况，即使弯曲变形位置与锚索接触位置处没有应变片，也能够获得更接近真实应力源应力值的应力和应力源位置，从而提高岩爆预警的效果。

技术研发人员：祝平华,郝宪杰,史佳旺,陈哲斌,张玉,胡茂,杨益,闫坤,韦鑫颖,白翔
受保护的技术使用者：中铁四局集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15