CN103308946A - 一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其步骤：A.在预报实施前先建立可钻性指数的标准数据库[K_i]；B.超前地质预报实施的具体步骤是：1)对掌子面的超前炮孔进行编号；2)将采集得到的钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速w及岩渣、回水量及回水颜色逐一记录；3)根据可钻性指数公式(7)

计算每组参数的可钻性指数K；4)将计算的可钻性指数k与[K_i]进行对比，若K∈(min[K_i],max[K_i])，则本钻进段的基本围岩级别为i级；5)在结合岩渣成分、回水情况和掌子面围岩情况，根据表2对围岩级别进行综合判定；6)综合预报的围岩级别与隧道开挖后的确定的实际围岩级别进行对比、验证；7)将修正后的数据扩充到[K_i]中。本方法操作方便、费用低廉，准确高效，可以进行实时的超前地质预报。

Description

一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法

技术领域

本发明涉及超前地质预报领域，更具体涉及一种隧道超前地质预报方法，特别是涉及一种基于炮孔钻进信息来预报钻爆法开挖隧道掌子面前方围岩地质情况的超前地质预报方法。适用于水电、交通、矿山行业的钻爆法开挖隧道超前地质预报，也可用于边坡、地基等的岩性探测。

背景技术

随着我国水电、交通、矿山等行业工程建设的迅猛发展，越来越多的隧道（公路、铁路、地铁等）、隧洞、巷道等地下洞室修建在地质环境复杂的岩层中。地下洞室因其隐蔽性和地质环境的复杂性，在前期勘察阶段无法完全弄清地质情况，实际开挖揭露的围岩情况与勘察报告出入较大的情况屡见不鲜。在复杂地质条件下隧道、巷道等洞室开挖中，由于前方地质条件不清，不能提前做出预防，坍塌、冒顶、涌水、突泥等地质灾害时有发生，造成的财产损失和人员伤亡巨大，因此，施工期开展超前地质预报工作尤为重要。

目前常用的隧道超前地质预报方法可分为两类：物探方法和钻探方法。物探方法如地震波法、地质雷达法等，物探方法由于具有多解性，且对操作人员专业要求高，预报结果因人而异，具有不确定性。钻探方法如超前水平钻孔，其耗时很长，费用过高，且占用施工工作面，严重影响施工进度，同时通常钻孔数量较少，不能全面反映前方围岩情况。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种基于炮孔钻进信息来预报钻爆法开挖隧道掌子面前方围岩地质情况的超前地质预报方法，操作方便、费用低廉，准确高效，可以进行实时的超前地质预报。炮孔是钻爆法开挖隧道施工过程中的必须环节，炮孔数量大、钻进快，不另外占用施工时间，研究表明炮孔钻进过程中的相关参数与前方围岩质量有非常密切的联系，充分利用隧道炮孔钻进的中相关参数信息，采集并建立参数与围岩质量的关系，结合掌子面地质情况，对掌子面前方围岩级别进行预报。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

在隧道炮孔的钻进中，对钻进速率、钻进压力、钻杆转速、岩渣成分、回水量及颜色共6项参数进行采集和分析，基于能量守恒原理，由钻进速率、钻进压力、钻杆转速三项指标计算出围岩可钻性指数，建立典型围岩级别的可钻性指数标准数据库[K_i]，通过计算出的可钻性指数与可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，预测判定出基本围岩级别，再结合岩渣成分、回水情况和掌子面围岩情况，对掌子面前方围岩级别进行综合预报。

一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，包括：

在炮孔的钻进中，对钻进信息进行采集；

基于能量守恒原理，由采集到的：钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速N三个参数计算出围岩可钻性指数K，建立典型围岩级别的可钻性指数标准数据库[K_i]；

通过计算出的可钻性指数与可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，预测判定出基本围岩级别；

结合岩渣成分、掌子面围岩情况，根据回水情况对掌子面前方围岩级别进行综合预报，得到隧道超前地质预报结果；

预报的结果将与隧道开挖后的确定的实际围岩级别进行对比、验证，对所采用的可钻性指数标准数据库[K_i]进行扩充和丰富，完成数据反馈和数据库修正。

一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其步骤是：

1.数据的采集：

主要参数是通过传感器采集得到的，采集过程如下：

1)钻进速率v是通过安装在钻机上的位移传感器（可采用超声波传感器：SRF08，或同级别其它型号）采集的钻进深度增量Δz除以钻进时间Δt计算得到，即：

2)钻进压力p通过安装在钻杆上的压力传感器（可采用高温压力传感器：HY-101，或同级别其它型号）采集得到。所述的压力p的范围为0.1～1.5MPa。

3)钻杆转速N通过安装在钻杆上的旋转传感器（可采用旋转编码器：E6B2-CWZ6C，或同级别其它型号）采集得到。所述的转速N的范围不超过500r/min。

4)岩渣、回水量及回水颜色通过人工现场记录。

2.采集到参数的分析：

1)采集的参数按照下表进行记录：

表1炮孔钻进信息表

注：表中数据为示例

2)计算围岩可钻性指数：

每种级别围岩的单位体积破碎功是不同的，在相同条件下,某一种围岩单位体积的破碎功是一定值，它不仅能反映围岩抗破碎的属性,也能反映围岩综合物理特性。可钻性指数就是基于能量观点提出来的，用于刻画围岩综合物理特性的指标，其具体计算过程如下：

设围岩破碎总体积为V，钻机钻进功率为E，则有能量守恒有，

Vq＝k₁Et（1）

式中：

q为单位体积岩石破碎功；

k₁为钻机能量转化率；

t为钻进时间。

因钻机钻进功率为E与钻杆扭矩M和转速N成正比，即：

E＝k₂MN   （2）

又因钻杆扭矩M和钻进压力p及钻头底面积A成正比，即M＝k₃Ap，进而有：

E＝k₂k₃ApN    （3）

式中，k₂，k₃均为常系数，A为钻头底面积。

岩破碎总体积V取决于钻头底面积A、钻进速度v及钻进时间t，所以

V＝Avt    （4）

将（3）、（4）式代入（1）式得：

Avtq＝k₁k₂k₃ApNt    (5)

即

$\frac{v}{\mathrm{pN}}=\frac{k_1{k}_2{k}_3}{q}---\left(6\right)$

令 $K=\frac{k_1{k}_2{k}_3}{q}$ 有，

$K=\frac{v}{\mathrm{pN}}---\left(7\right)$

称K为可钻性指数，

式为可钻性指数的计算公式，在相同的钻进条件下，可钻性指数K只与钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速N相关。

3)基于可钻性指数K，建立典型围岩级别的标准数据库[K_i]：

首先建立典型围岩级别的可钻性指数数据库[K_i]'(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，下同)。通过在i级围岩中进行n次炮孔钻进并获得钻进信息，由

式计算得到可钻性指数K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，从而得到i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'。

对i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，根据概率统计方法进行数据筛选，筛选后的数据作为可钻性指数标准数据库[K_i]。

具体的数据筛选方法是：

由概率统计方法，认为i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……

K_in′服从正态分布，则

可钻性指数的均值为：

${{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{ij}}---\left(8\right)$

标准差S_i′为：

${S_i}^{\′}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(k_{\mathrm{ij}}-{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′})}^2}---\left(9\right)$

则可钻性指数均值的置信水平为1-α的置信区间为：

$({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1))---\left(10\right)$

式中：

α为分位点，α取值范围是0.01～0.40；

t_α/2(n-1)为t分布中，样本数为n时，t分布中α/2分位点对应的数值，可以通过查阅相关概率论手册中的t分布表来确定。

将符合：

${K_{\mathrm{ij}}}^{\′}\∈({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1)),j=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n---\left(11\right)$

的数据纳入可钻性指标准数据库中，形成成i级围岩的可钻性指标准数据库[K_i]。

4)建立基本围岩级别的判定标准。

对采集的钻进参数根据

式计算可钻性指数K，然后与可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，若计算的可钻性指数K∈(min[K_i],max[K_i])(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，则认为钻进段的基本围岩级别为i级。

3围岩级别的综合预报：

根据步骤1，2已经得出了掌子面前方围岩的基本围岩级别，在结合岩渣成分、回水情况和掌子面围岩情况，对围岩级别进行综合判定。根据掌子面围岩情况和岩渣成分对岩石性状进行预判。由回水情况结合基本围岩级别，根据表2对围岩级别做出综合预报，至此完成对隧道掌子面前方围岩级别的预报。

表2围岩级别综合预报表

4、数据反馈和数据库修正：

通过步骤3综合判定的围岩级别，将综合预报的围岩级别于隧道开挖后的实际围岩级别进行对比、验证；按照实际围岩级别对计算的可钻性指数K分类；按照步骤2中的1)、2)、3)条（即可钻性指数标准数据库[K_i]建立的步骤），根据开挖后的实际围岩级别，将计算的可钻性指数K扩充到可钻性指数标准数据库[K_i]中。这样在下次预报时，可钻性指数标准数据库[K_i]内的数据得到丰富，预报准确性提高。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.本发明通过对炮孔钻进信息的分析来进行隧道超前地质预报，不占用隧道掘进时间和空间，在钻爆法施工掘进中就完成了隧道超前地质预报，效率高，费用低廉。

2.炮孔钻进信息直观可靠，在钻爆法施工中掌子面炮孔数量多，预报结果可靠，准确性高。

3.由于采用数据反馈和不断修正数据库，预报的结果会随着预报次数的增加而不断提高。

4.本方法操作简便，预报结果可以方便得出，操作人员不需要较高的专业知识，对人员要求不高。预报操作过程中不需要埋设炸药，减小了操作风险。

附图说明

图1为一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法钻进信息分析流程图。

图2为一种炮孔示意图及编号示意图。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，它包括下列步骤：

1.在预报实施前先要建立可钻性指数的标准数据库[K_i]，其步骤是：

首先建立典型围岩级别的可钻性指数数据库[K_i]'(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，下同)。通过在i级围岩中进行n次炮孔钻进并获得钻进信息，由式计算得到可钻性指数K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，从而得到i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'。

对i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，根据概率统计方法进行数据筛选，筛选后的数据作为可钻性指数标准数据库[K_i]。

具体的数据筛选方法是：

由概率统计方法，认为i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in′服从正态分布，则

可钻性指数的均值

为：

${{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{ij}}$

标准差S_i′为：

${S_i}^{\′}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(k_{\mathrm{ij}}-{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′})}^2}$

则可钻性指数均值的置信水平为1-α的置信区间为：

$({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1))$

式中：

α为分位点，α取值范围是0.01～0.40；

t_α/2(n-1)为t分布中，样本数为n时，t分布中α/2分位点对应的数值，可以通过查阅相关概率论手册中的t分布表来确定。

将符合 ${K_{\mathrm{ij}}}^{\′}\∈({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1)),j=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n,$ 的数据纳入可钻性指标准数据库中，形成成i级围岩的可钻性指标准数据库[K_i]。

2.超前地质预报实施的具体步骤是：

1)首先对掌子面的超前炮孔进行编号，如图2所示，编号为H01-01，H01-02……H08-01……

2)将采集得到的钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速w及岩渣、回水量及回水颜色按照表1的格式逐一记录。数据采集的频率为每秒钟记录一次。

上述参数主要是通过传感器采集得到，钻进速率v是通过安装在钻机上的位移传感器采集的钻进深度增量Δz除以钻进时间Δt计算得到，即：

钻进压力p通过安装在钻杆上的压力传感器采集得到。钻杆转速N通过安装在钻杆上的旋转传感器采集得到。岩渣、回水量及回水颜色通过人工现场记录。

3)根据可钻性指数公式(7)

计算每组参数的可钻性指数K。

4)将计算的可钻性指数K于可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，若计算的可钻性指数K∈(min[K_i],max[K_i])(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，则认为钻进段的基本围岩级别为i级。

5)根据掌子面围岩情况和岩渣成分对岩石性状进行预判。由回水情况结合基本围岩级别，根据表2对围岩级别做出综合预报。

6)综合预报的围岩级别与隧道开挖后的确定的实际围岩级别进行对比、验证。根据开挖后的确定的实际围岩级别，将已经采集的数据扩充到可钻性指数数据库[K_i]'中。

7)按照步骤1，得到可钻性指数的标准数据库[K_i]。至此完成一次基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报。

Claims (7)

1.一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，包括：

在炮孔的钻进中，对钻进信息进行采集；

基于能量守恒原理，由采集到的：钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速N三个参数计算出围岩可钻性指数K，建立典型围岩级别的可钻性指数标准数据库[K_i]；

通过计算出的可钻性指数与可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，预测判定出基本围岩级别；

结合岩渣成分、掌子面围岩情况，根据回水情况对掌子面前方围岩级别进行综合预报，得到隧道超前地质预报结果；

预报的结果将与隧道开挖后的确定的实际围岩级别进行对比、验证，对所采用的可钻性指数标准数据库[K_i]进行扩充，完成数据反馈和数据库修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的采集的钻进信息包括：钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速N、岩渣、回水量及回水颜色。

3.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的可钻性指数K根据能量守恒原理推导得到，且与钻进速率v、钻进压力p、钻杆转速N相关，可钻性指数K的计算公式是

4.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的可钻性指数标准数据库[K_i]的建立包括下述步骤：

通过在i级围岩中进行n次炮孔钻进并获得钻进信息，由式

计算得到可钻性指数K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，得到i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'，i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩；

对i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in'，根据概率统计方法进行数据筛选，筛选后的数据作为钻性指数标准数据库[K_i]；

数据筛选步骤包括：

根据概率统计方法，i级围岩的可钻性指数数据库[K_i]'内的数据K_i1'、K_i2'、K_i3'……K_in′服从正态分布：

可钻性指数的均值

为：

${{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{ij}};---\left(8\right)$

标准差S_i′为：

${S_i}^{\′}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(k_{\mathrm{ij}}-{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′})}^2};---\left(9\right)$

可钻性指数均值的置信水平为1-α的置信区间为：

$({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1))---\left(10\right)$

式中：

α为分位点，α取值范围是0.01～0.40；

t_α/2(n-1)为t分布中，样本数为n时，t分布中α/2分位点对应的数值，通过查阅概率论手册中的t分布表来确定；

将符合：

${K_{\mathrm{ij}}}^{\′}\∈({{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}-\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1),{{\stackrel{\‾}{K}}_i}^{\′}+\frac{{S_i}^{\′}}{\sqrt{n}}{t}_{\mathrm{\α}/2}(n-1)),j=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n---\left(11\right)$

的数据纳入可钻性指标准数据库中，形成i级围岩的可钻性指标准数据库[K_i]；

5.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的基本围岩级别的判定步骤包括：

对采集的钻进参数根据式计算可钻性指数K，然后与可钻性指数标准数据库[K_i]进行对比，计算的可钻性指数K∈(min[K_i],max[K_i])，钻进段的围岩级别为i级。

6.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的围岩级别进行综合预报的步骤包括：

结合岩渣成分、掌子面围岩情况，对岩石性状进行预判；

回水情况结合基本围岩级别，对围岩级别做出综合预报，至此完成对隧道掌子面前方围岩级别的预报。

7.根据权利要求1所述的一种基于炮孔钻进信息的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述的数据反馈和数据库修正，包括下述步骤：

将综合预报的围岩级别于隧道开挖后的实际围岩级别进行对比、验证；

按照实际围岩级别对计算的可钻性指数K分类；按照可钻性指数标准数据库[K_i]建立的步骤，将计算的可钻性指数K扩充到可钻性指数标准数据库[K_i]中。

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