一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法及系统与流程

1.本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法及系统。


背景技术：

2.岩爆是指岩层或岩体中蕴藏的应变能由于失稳而猛烈释放所引起的岩石爆炸，通常并伴有巨大声响和崩落岩片的散射现象。
3.综合现有的研究成果，岩爆预测大致分3类：理论分析法、现场实测法和工程经验类比法。
4.(1)理论分析法：其一般方法是依据岩石的物理力学参数以及应力状态，根据岩爆机理理论得到的判据来预测开挖后岩爆发生的可能性大小，主要判据有e.hoek应力判据、kidybinski的能量判据、侯发亮教授的临界深度判据、陶振宇的岩性判据、谷明成的综合判据及其他判据。
5.岩爆预测中具有多个判定因素时，不同的判据可能会做出不同的预测结果，导致一种判据预测有岩爆而另一种判据预测无岩爆的情况，若不对所得判断结果的有效性进行评价分析，就不能让多因素的判断有更准确的结果。
6.(2)现场实测法：现场实测法是一种在现场通过借助一些必要的仪器，直接对岩体进行监测和测试的方法，可以用来判别岩爆发生的可能性，并可以推测出岩爆发生的大致时间和范围，从而达到在预测的时间和范围内及时采取措施撤退工作人员及其设备的目的，保证安全生产，降低施工成本损耗。目前，国内外现场实测法主要有两种:一是直接接触法，二是地球物理法。
7.(3)工程经验类比法:工程经验类比法是在己有的类似岩爆实例基础上，借用多目标的决策学、或者统计的思想等数学原理和方法进行总结分析，在考虑多因素的情况下，建立的一种新岩爆烈度预测方法，这些方法往往受样本影响或者地区的限制作用较大，如神经网络模型对样本的要求较高，距离判别模型没有考虑先验概率的影响且样本选择较少，不够典型等。
8.采用上述岩爆预测方法往往会导致预测的结果准确性不足，从而造成不能准确用于指导施工与开挖作业，不利于提高施工作业的效率。


技术实现要素：

9.本发明意在提供一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法及系统，以能够准确的判断岩爆位置。
10.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法，包括以下步骤：
12.a、确定岩体发生岩爆的范围；
13.b、预测岩爆位置：在确定的岩体岩爆范围内，对岩体进行部位划分，对岩体的不同
部位进行岩爆预测；
14.步骤b中，针对每个部位，均进行以下岩爆预测：
15.b11、测定岩体的初始应力σ1、岩块的单轴抗压强度rc、岩石的单轴抗拉强度r
t
，计算围岩弹性应变能与耗损应变能之比w
et
、岩体完整性系数kv，
16.b12、根据以下判据条件预测岩爆位置，判据条件如下：σ1≥0.15rc，rc≥15r
t
，kv≥0.55，w
et
≥2.0；当预测的部位同时满足以上四个判据条件时，则设定该部位为岩爆位置。
17.本方案的原理及优点是：由于每个工程的地质条件很复杂，本发明从四个方面入手，即力学要求、脆性要求、完整性要求以及储能要求，使用四个判据条件可以较为准确的判断岩爆位置。本方案中对于发生岩爆的判定条件更加完善，能够提高预测的准确性。经开挖揭露与预测对比发现，岩爆破坏类型、岩爆等级、岩爆发育部位等基本一致。
18.本方案中根据工程规模以及地质构造的复杂程度，对多个部位进行监测，以提高对岩爆发育部分、岩爆等级和岩爆破坏类型进行更加准确的判断，从而便于用于指导施工与开挖作业，这样可节约成本，提高效率和安全性。
19.优选的，作为一种改进，
20.还包括步骤c：判定岩爆级别，具体为：
21.根据步骤b中预测的岩爆位置，对该岩爆位置计算岩体的最大切向应力、岩石启裂应力、岩石破坏应力，根据如下判别条件判定岩爆级别：
22.若σ
max
/(kvσ
cd
)＞1.0或(100σ
max
)/(gsiσ
cd
)＞1.0时，岩爆级别为剧烈岩爆；
23.若σ
max
/(kvσ
cd
)＝0.5～1.0或(100σ
max
)/(gsiσ
cd
)＝0.5～1.0时，岩爆级别为强烈岩爆；
24.若σ
max
/(kvσ
ci
)＝0.5～1.0或(100σ
max
)/(gsiσ
ci
)＝0.5～1.0时，岩爆级别为中等岩爆；
25.若σ
max
/(kvσ
ci
)＜0.5或(100σ
max
)/(gsiσ
ci
)＜0.5时，岩爆级别为轻微岩爆；
26.σ
max
为洞室围岩最大切向应力；σ
ci
为岩石启裂应力；σ
cd
为岩石破坏应力；kv为岩体完整性系数；gsi为地质强度因子。
27.本方案能够在预测的岩爆位置上再进行岩爆等级的预测，更便于了解岩爆情况，从而根据岩爆预测的情况提前准备采取相应的支护措施，提高安全性。
28.优选的，作为一种改进，还包括步骤d，对步骤b中预测的岩爆位置的准确度进行校核：
29.利用岩体洞室模型模拟开挖后的洞室，获得应力集中点的部位，作为参考岩爆位置；
30.将参考岩爆位置与预测的岩爆位置进行对比，校核预测的岩爆位置的准确度。
31.本方案中能够较为准确的反映洞室开完过程影响和初始应力场的偏应力特征，从而能够提高预测的结果准确度。
32.优选的，作为一种改进，所述参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度高；
33.若参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率没有达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度低。
34.本方案通过计算参考位置与预测的岩爆位置的重合率是否达到设定值，从而来判
断预测的岩爆位置的准确度，从而实现对预测位置的校核，能够进一步提高对预测结果的准确性，便于后期实现准确的指导开挖。
35.优选的，作为一种改进，步骤b中kv的计算方法包括以下步骤：
36.根据岩爆破裂面的力学性质，确认岩爆的破坏类型，根据岩爆的破坏类型确认kv的取值，所述岩爆的破坏类型包括压致拉裂型岩爆、压致拉裂—溃曲型岩爆、压致拉裂-剪切型岩爆、压致拉裂-滑移型岩爆，其中前三类均为应变型岩爆，第四类为复合型岩爆；
37.当为应变型岩爆时，kv＝1；
38.当为复合型岩爆时，kv则为围压相同条件下，岩体和岩石波速之比的平方。
39.岩爆的类型有多种，且发生在不同的部位。本方案压致拉裂型岩爆主要发生在边墙部位，压致拉裂—溃曲型岩爆、压致拉裂-剪切型岩爆主要发生在拱脚部位、洞室的交汇部位、转弯部位以及边墙下部。压致拉裂-滑移型岩爆则与结构面的发育部位有关，在边墙、拱脚均有发育，本方案根据不同的岩爆类型，kv的取值也不同，从而能够适用于不同的岩爆类型，且对不同的岩爆类型实现相应的预测，这样能够提高预测的准确度。
40.优选的，作为一种改进，适用于洞室轴向与最大主应力方向平行，岩爆主要受中主应力控制的工况。
41.本方案的预测方法能够反映洞室开挖过程影响。
42.优选的，作为一种改进，适用于高地应力地区和极高地应力地区。
43.本方案的预测方法适用范围广，适用于高地应力区和极高地应力地区的工况。
44.一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测系统，包括：
45.岩爆范围确定模块，用于确定岩体发生岩爆的范围；
46.岩爆位置预测模块，用于在岩爆范围内预测岩爆发生位置；
47.所述岩爆位置预测模块包括：
48.岩体部位划分模块，用于在确定的岩体岩爆范围内，将岩体划分为不同部位；
49.参数采集模块，用于接收各部位的岩体的初始应力σ1、岩块的单轴抗压强度rc、岩石的单轴抗拉强度r
t
；
50.计算模块，用于计算围岩弹性应变能与耗损应变能之比w
et
、岩体完整性系数kv；
51.预测模块，用于对岩体部位划分模块的每个部位岩爆预测，对于每个部位，当其同时满足σ1≥0.15rc，rc≥15r
t
，kv≥0.55，w
et
≥2.0四个条件时，则设定该部位为岩爆位置，并输出岩爆位置。
52.优选的，作为一种改进，还包括：
53.模拟模块，用于利用岩体洞室模型模拟开挖后的洞室，获得应力集中点的部位，作为参考岩爆位置；
54.比较模块，用于将参考岩爆位置与预测的岩爆位置进行对比，计算参考岩爆位置与预测的岩爆位置的重合率，校核预测准确性；
55.输出模块，用于输出预测结果。
56.优选的，作为一种改进，所述参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度高，输出该预测的位置是岩爆位置；若参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率没有达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度低，输出该预测位置不是岩爆位置。
57.有益效果：本方案中提供的一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测系统能够实现对岩爆位置的预测和校核，本方案能够准确的校核预测的岩爆位置的准确性，从而判断出更为准确的岩爆位置，便于用于指导施工与开挖，可节约成本，提高效率和安全性。
附图说明
58.图1为本发明实施例中岩爆的破坏类型示意图。
59.图2为本发明实施例中岩爆破坏类型现场图。
60.图3为本发明实施例中主厂房中导洞岩爆预测展布图。
61.图4为本发明实施例中主厂房侧挖岩爆预测展布图。
62.图5为本发明实施例中主变室中导洞岩爆预测展布图。
63.图6为本发明实施例中主变室侧挖岩爆预测展布图。
64.图7为本发明实施例中尾调室中导洞岩爆预测展布图。
65.图8为本发明实施例中尾调室侧挖岩爆预测展布图。
66.图9为本发明实施例中1#尾水洞i层中导洞岩爆预测展布图。
67.图10为本发明实施例中1#尾水洞i层侧挖岩爆预测展布图。
68.图11为本发明实施例中2#尾水洞i层中导洞岩爆预测展布图。
69.图12为本发明实施例中2#尾水洞i层侧挖岩爆预测展布图。
70.图13为本发明实施例中主厂房ⅰ层扩挖围岩破坏与岩爆预测对比示意图。
71.图14为本发明实施例中尾调室ⅰ层扩挖围岩破坏与岩爆预测对比示意图。
72.图15为本发明实施例中1#尾水硐上层开挖围岩破坏与岩爆预测对比示意图。
具体实施方式
73.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
74.实施例
75.本实施例提供了一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法，适用于岩体洞室轴向与最大主应力方向平行，岩爆主要受中主应力控制的工况，且适用于高地应力地区和极高地应力地区。我国国内一般岩体工程以初始地应力在20～30mpa为高地应应力地区。
76.一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测方法，具体步骤如下，
77.a、确定岩体发生岩爆的范围：根据地质调查法和微震监测手段进行辅助确定岩体发生岩爆的范围；本实施例中根据工程师的工作经验以及采用现有的地质调查法和微震监测手段能够辅助进行预测岩爆的位置，从而能够提高预测的准确度，地质调查法和微震监测手段均为现有技术，在此不再赘述。
78.b、预测岩爆位置：在确定的岩体岩爆范围内，对岩体的不同部位进行岩爆预测，本实施例中对岩体洞室的部位进行划分，岩体洞室部位划分为拱肩、拱腰上部、拱腰下部及拱脚；
79.步骤b中，针对每个部位，均进行以下岩爆预测：
80.b11、测定岩体的初始应力σ1、岩块的单轴抗压强度rc、岩石的单轴抗拉强度r
t
，计算围岩弹性应变能与耗损应变能之比w
et
、岩体完整性系数kv，
81.b12、根据以下判据条件预测岩爆位置，判据条件如下：
82.σ1≥0.15rc(力学要求)
83.rc≥15r
t
(脆性要求)
84.kv≥0.55(完整性要求)
85.w
et
≥2.0(储能要求)，
86.当预测的部位同时满足以上四个判据条件时，则设定该部位为岩爆位置。
87.c、判定岩爆级别，具体为：
88.根据步骤b中预测的岩爆位置，对岩体的不同部位计算岩体的最大切向应力、岩石启裂应力、岩石破坏应力，根据如下判别条件(见表1)判定岩爆级别：
89.表1：
[0090][0091]
σ
max
为洞室围岩最大切向应力；σ
ci
为岩石启裂应力；σ
cd
为岩石破坏应力；kv为岩体完整性系数；gsi为地质强度因子。
[0092]
gsi(geological strength index)法最早由e.hoek等为实现对岩体质量评价，进而实现与hoek-brown经验准则的有效结合而提出，通过岩体结构系数和结构面状态系数定性化确定岩体质量gsi值。
[0093]
经过长期研究，人们发现岩爆一般仅发生于坚硬的脆性岩石中，隧道横断面上的应力分量的和(σ1+σ3)的量级一般较高，本研究根据岩爆的孕育机制将岩爆分为：应变型岩爆、结构性岩爆、复合型岩爆3种类型。而地下洞室岩爆的机制类型大都是应变型岩爆，偶见复合型岩爆，未见结构性岩爆。
[0094]
步骤d，对步骤b中预测的岩爆位置的准确度进行校核：
[0095]
利用岩体洞室模型模拟开挖后的洞室，获得应力集中点的部位，作为参考岩爆位置；应力集中点的部位为变形较大的部位；
[0096]
将参考岩爆位置与预测的岩爆位置进行对比，校核预测的岩爆位置的准确度。
[0097]
参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度高；
[0098]
若参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率没有达到设定值时，则判断该预测的岩
爆位置的准确度低。
[0099]
本实施例中以双江口水电站为例进行说明，双江口水电站主要破坏的具体模式为板状破裂、片状破裂、v型破裂、应力与结构协调作用型破坏，且围岩破坏规律：左右岸差异特征(左岸以高地应力脆性破坏为主，右岸以结构面控制的掉块、垮塌为主)、环向卸荷特征(卸荷裂隙与临空面近平行，环洞室发育)、岩体结构效应(断层周边、长大结构面及结构面较发育段围岩破坏)、洞向走向效应(东西走向、北西向及北东向洞室比南北走向洞室破坏更为剧烈)、洞室突变效应(洞室转弯凸面、洞室交汇部位常发生较剧烈破坏)、破坏位置特征(引水发电系统三大南北向洞室上游侧拱肩、上边墙及下游侧拱脚、下边墙更易破坏)、破坏时间效应(由于岩体变形破坏的渐进性及应力随着开挖的进行而调整，发生围岩喷护后的二次破坏)。
[0100]
从岩爆破裂面的力学性质，我们将岩爆分为4类：压致拉裂型岩爆(i型)、压致拉裂—溃曲型岩爆(ii型)、压致拉裂-剪切型岩爆(iii型)、压致拉裂-滑移型岩爆(iv型)，其中前三类均为应变型岩爆，第四类为复合型岩爆，见图1。
[0101]
步骤b中kv的计算方法包括以下步骤：
[0102]
根据岩爆破裂面的力学性质，确认岩爆的破坏类型，根据岩爆的破坏类型确认kv的取值；
[0103]
当为应变型岩爆时，kv＝1；
[0104]
当为复合型岩爆时，kv则为围压相同条件下，岩体和岩石波速之比的平方。
[0105]
岩爆类型中，其中i型主要发生在边墙部位，ii、iii型主要发生在拱脚部位、洞室的交汇部位、转弯部位以及边墙下部。iv型则与结构面的发育部位有关，在边墙、拱脚均有发育，见图2。
[0106]
本实施例中校核岩爆位置预测的准确度时结合洞室模型模拟开挖后的洞室应力集中点的位置，该位置的变形较大，然后在对应岩爆发生的位置，校核岩爆位置预测的准确度，并结合上述b步骤和c步骤的判别方式，能够提高高地应力地区和极高地应力地区岩爆预测的准确性。
[0107]
本实施例还提供了一种高地应力地区硬质岩的岩爆预测系统，包括：
[0108]
岩爆范围确定模块，用于确定岩体发生岩爆的范围；
[0109]
岩爆位置预测模块，用于在岩爆范围内预测岩爆发生位置；
[0110]
岩爆位置预测模块包括：
[0111]
岩体部位划分模块，用于在确定的岩体岩爆范围内，将岩体划分为不同部位；
[0112]
参数采集模块，用于接收各部位的岩体的初始应力σ
1jia
、岩块的单轴抗压强度rc、岩石的单轴抗拉强度r
t
；
[0113]
计算模块，用于计算围岩弹性应变能与耗损应变能之比w
et
、岩体完整性系数kv；
[0114]
预测模块，用于对岩体部位划分模块的每个部位岩爆预测，对于每个部位，当其同时满足σ1≥0.15rc，rc≥15r
t
，kv≥0.55，w
et
≥2.0四个条件时，则设定该部位为岩爆位置，并输出岩爆位置。
[0115]
模拟模块，用于利用岩体洞室模型模拟开挖后的洞室，获得应力集中点的部位，作为参考岩爆位置；
[0116]
比较模块，用于将参考岩爆位置与预测的岩爆位置进行对比，计算参考岩爆位置
与预测的岩爆位置的重合率，校核预测准确性；
[0117]
输出模块，用于输出预测结果。
[0118]
参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度高，输出该预测的位置是岩爆位置；若参考岩爆位置与预测的岩爆位置重合率没有达到设定值时，则判断该预测的岩爆位置的准确度低，输出该预测位置不是岩爆位置，当出现预测的岩爆位置不太准确后，实际应用中可结合现有技术中的微震监测手段进行再次预测和修正岩爆位置。
[0119]
本实施例中参考岩爆位置与预测的岩爆位置的重合率主要是根据参考岩爆位置和预测的岩爆位置的高程、纵横桩号和面积的来进行对比，判断两者的匹配度。同时还根据人工的经验观察破坏情况来进行辅助判断参考岩爆位置与预测的岩爆位置是否一致，如破坏深度等，另外还可以根据测量参考岩爆位置的断面图和预测的岩爆位置的平面图进行比对。
[0120]
本实施例中以双江口水电站为例进行说明，双江口水电站三大洞室轴向与最大主应力方向平行，所以岩爆主要受中主应力控制，由弹性力学公式算出最大切向应力，将其与岩石单抽抗压强度比值来初步判断其岩爆情况，但由于每个工程的地质条件很复杂，所以需要综合因素考虑，本实施例借鉴了张镜剑修改的谷-陶判据，从四方面入手，即力学要求、脆性要求、完整性要求以及储能要求，可以较为准确的判断岩爆位置，并增加本实施例中判据，能够有效提高岩爆预测的准确性。
[0121]
在建的双江口水电站地下厂房三大洞室，宏观开展了中导洞、第ⅰ层、第ii层、第ⅲ层不同部位的岩爆预测，岩爆预测方法主要为本实施例中所提供的判据法和地质调查法，辅以微震监测手段进行。经开挖揭露与预测对比发现，岩爆破坏类型、岩爆等级、岩爆发育部位等基本一致。
[0122]
基于本实施例所提出的判据，针对主厂房、主变室及尾调室三大洞室、尾水隧洞等引水发电系统洞室群开展了岩爆预测，预测图见图3-12，图3-12中，能够表示预测的岩爆位置所对应的桩号位置。
[0123]
跟踪各个洞室发生的岩爆强烈程度，跟预测结果进行比对：
[0124]
(1)主厂房i层开挖预计上游侧拱肩及拱腰上部围岩破坏会更为严重，尤其道路桩号为k0-68～k0-00m、k0+30-50m以及k0+140m的附近，有发生中等岩爆可能，破坏优势部位为拱腰上部及拱肩。预计下游侧扩挖的破坏主要以片帮、层裂为主，主要发生在拱腰下部及拱脚，厂房上游侧扩挖k0-68.8～k0+80m，下游侧扩挖k0-68.8m～k0+120m，从已扩挖段破坏看，几处中等岩爆均在预测范围内，达到了精准预测(图13)。
[0125]
(2)预计尾调室i层两侧扩挖后整体上呈现游围岩破坏比中导洞开时更为严重，特别是道路桩号为k0+25m～k0-14.5m段拱肩及腰上部可能会出现中等强度岩爆，下游侧则弱于中导洞，以片帮、劈裂为主。发育大结构面部位k0+110m～120m断层、k0-10m～k0-14.5m断层及k0+35m～k0+50m结构面发育处，建议对此三段进行加固处理，防范发生应力结构协同控制破坏(iv型)。截止目前，尾调室上、下游侧均扩挖k0-14.8～k0+120m，从已扩挖段破坏看，此处的中等岩爆均在预测范围内，达到了精准预测，如图14。
[0126]
(3)1#尾水硐施工图桩号范围尾1(k0+163.481～k0+933.941)，其中尾1(k0+163.481～k0+563.481)段右侧拱肩部位预测为强烈岩爆区域，尾1(k0+563.481～k0+
933.941)右侧拱肩、尾1(k0+163.481～k0+563.481)左侧墙脚部位预测为中等岩爆区域，其他区域为轻微岩爆区域，见图15。
[0127]
现在1#尾水硐正在开挖，桩号范围为k0+220m～k0+380m，从已扩挖段破坏看，右侧拱肩部位发生强烈岩爆，均在预测范围内，达到了精准预测。
[0128]
本方案中总结了一种在高应力区地区预测岩爆的方法，从力学要求、脆性要求、完整性要求以及储能要求四方面入手，考虑发生岩爆的条件比较完善；预测岩爆后，可用于指导施工与开挖，可有效节约成本，提高效率；另外，针对不同等级岩爆，可提前准备采取相应支护措施，提高安全性。
[0129]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。