CN108871946B - 大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，通过原位地应力测试；在地应力测试部位钻取圆柱形岩样；利用多通道超声波探伤仪对圆柱形岩样发出超声波探伤信号，计算三种状态的硬岩起裂强度σ_ci ^j(j＝1,2,3)、硬岩损伤强度σ_cd ^j(j＝1,2,3)；利用极差原理计算等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*；将自重应力场和构造应力场下的岩石强度应力比值与等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*进行比较，对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行评估。该方法综合采用现场地应力测试、室内单轴压缩试验以及超声波和声发射耦合系统实现，能有效获取硬岩的等效起裂强度、等效损伤强度及洞室开挖后的岩石应力强度比，解决了深埋洞室的稳定性评价、硬岩岩爆灾害的等级评估和防控措施的优化问题。

Description

大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体地指一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，适用于以硬脆性岩石为主的大埋深洞室岩爆灾害风险识别和防控措施的优化。

背景技术

岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生的爆裂松脱、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种动力失稳地质灾害。从发生的时间来看，岩爆分为即时型岩爆和时滞型岩爆。根据发生的条件和机制，岩爆可分为应变型岩爆、应变–结构面滑移型岩爆和断裂滑移型岩爆。这些不同类型岩爆的孕育规律和机制尚不清晰，这给岩爆的预测和动态调控带来了极大的不确定性。工程实践表明：岩爆灾害严重影响生产及工作人员的生命安全，造成了巨大的经济损失，已经成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。针对深埋洞室工程高地应力作用下硬脆性岩石中的岩爆问题，深入开展岩爆灾害的风险等级评估研究，对于指导深埋洞室的设计、施工及岩爆灾害的有效防控具有十分重要的意义和广泛的应用价值。

大量工程实践表明，岩爆的发生主要是由地下深部岩体的开挖所引起的地应力变化引起，其孕育过程是从岩体的破裂开始的，因此，地质勘察技术、地应力检测技术、基于岩石力学理论方法和室内试验等技术的长足发展，使得岩爆灾害的识别及其等级的定量评估成为可能。然而，现有的评估指标大部分采用经验法，各指标的量值为某一固定的数值或确定的界限值，对于赋存环境及岩性特征复杂多变的深埋洞室工程，不能合理反映岩性、岩体结构及外界条件对岩爆等级评估的影响。针对不同条件下的深埋洞室工程，如何利用简易的室内试验、现场测试及理论解析，准确可靠地对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行定量评估，是亟需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其形式简单、物理意义明确、指标易获取、通用性强，针对深埋洞室不同赋存环境及岩性特征，借助于现场测试和室内试验成果，采用相对应的量化评估指标值，进而可以较为准确可靠地对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行评估，为提高深埋洞室的整体稳定和岩爆防控措施的优化提供了技术支撑。

为达到上述目的，本发明提及的一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在施工现场勘探平硐内进行原位地应力测试，获取该断面处应力张量主平面上的最大侧压力系数λ及原位最大主应力值σ_0max，当λ≤1时地下洞室的应力环境为自重应力场，λ>1时地下洞室的应力环境为构造应力场；

步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，及时将岩芯加工成圆柱形岩样；

步骤3：利用多通道超声波探伤仪对所述圆柱形岩样发出超声波探伤信号，采集岩样压缩试验前的岩样声波纵向波速ν_p1，实时采集和记录岩样压缩过程中的声发射撞击数、声波纵向波速ν_p2以及岩样轴向应力σ_o′、轴向变力、环向应变和体积应变，计算得到岩石弹性模量E、泊松比μ、饱和单轴抗压强度σ_c；

步骤4：计算三种状态的硬岩起裂强度σ_ci ^j(j＝1,2,3)、硬岩损伤强度σ_cd ^j(j＝1,2,3)，σ_ci ^j(j＝1,2,3)包括基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹、基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，σ_cd ^j(j＝1,2,3)包括基于发射结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ¹、基于体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ³；

步骤5：利用极差原理计算等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*：

根据当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_ci ^*取数值最临近的两个σ_ci ^j值和的一半；同理，当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_cd ^*取数值最临近的两个σ_cd ^j值和的一半，其中max(σ_ci ^j)、max(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最大值，min(σ_ci ^j)、min(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最小值。

步骤6：根据地下洞室的应力环境计算自重应力场或者构造应力场下的岩石强度应力比值

步骤7：采用岩石强度应力比值与等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*进行比较，当SSR＜σ_ci ^*时，围岩不会发生岩爆灾害；当时，围岩发生轻微岩爆灾害；当时，围岩发生中等岩爆灾害；当SSR≥σ_cd ^*时，围岩发生强烈岩爆灾害，从而对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行评估。

优选地，所述步骤1中，所述原位地应力测试采用应力解除法通过地应力测试仪器实现，地应力测试仪器为空心包体式钻孔三向应变计。

优选地，所述步骤2中，钻取岩芯的钻孔轴向和现场最大地应力方向偏离角度≤5°。

优选地，所述步骤3中，所述单轴压缩试验通过单轴压缩仪实现，所述单轴压缩仪为伺服刚性试验机。

优选地，所述步骤4中基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹和硬岩损伤强度σ_cd ¹的获得方法为：依据试验结果绘制试验声发射撞击数-轴向应力-时间曲线图，得到声发射撞击数显著增长的起点对应的轴向应力，即为基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹，在起裂强度之后的声发射撞击数稳定发生区与再次突增的交界点对应的轴向应力即为硬岩损伤强度σ_cd ¹。

优选地，所述步骤4中基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²的获得方法为：依据试验结果绘制试验相对体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线，得到相对体积裂纹应变反向增长点对应的轴向应力，即为基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²；体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线反向减小的起始点对应的轴向应力，即为基于体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²。

优选地，所述步骤4中基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³和损伤强度σ_cd ³的获得方法为：依据试验结果绘制岩石损伤度-轴向应力曲线，得到岩石损伤度为零时的终点对应的轴向应力，即为基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，在起裂强度之后的岩石损伤度平稳增加与快速增加的临界点对应的轴向应力即为损伤强度σ_cd ³。

优选地，根据相对体积裂纹应变结合压缩过程中获得的轴向应变和轴向应力，绘制试验相对体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线，相对体积裂纹应变 为体积裂纹应变，由计算获得，为体积裂纹应变最大值。

优选地，根据岩石损伤度D绘制岩石损伤度-轴向应力曲线，岩石损伤度D＝1-(v_p2/v_p1)²。

与现有技术相比，本发明提出的一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其岩爆等级评估公式形式简单、物理意义明确、指标易获取、通用性强，可以准确可靠地对深埋洞室不同赋存环境及岩性特征的硬岩进行岩爆灾害等级评估，当SSR<σ_ci ^*时，围岩不会发生岩爆灾害；当时，围岩发生轻微岩爆灾害；当时，围岩发生中等岩爆灾害；当SSR≥σ_cd ^*时，围岩发生强烈岩爆灾害，从而为提高深埋洞室的整体稳定和岩爆防控措施的优化提供了进一步的技术支撑。本发明通过对深埋洞室可能发生岩爆灾害的等级进行评估，并采取相应的防控措施，可以显著地提高施工效率，大大降低了人员伤亡及财产损失的风险。

附图说明

图1为本发明大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法的流程图。

图2为本发明中硬岩单轴试验下的应力-应变、轴向应变(ε₁)-体积应变(ε_v)曲线图。

图3为本发明中硬岩单轴试验下的AE撞击数—轴向应力—时间曲线图。

图4为本发明中硬岩单轴试验下的岩石损伤度随应力变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法的实施步骤如下：

步骤1：在施工现场勘探平硐内选取典型断面进行原位地应力测试，本例中地应力测试仪器为空心包体式钻孔三向应变计，获取该断面处应力张量主平面上的最大侧压力系数λ及原位最大主应力值σ_0max，当λ≤1时地下洞室的应力环境为自重应力场，λ>1时地下洞室的应力环境为构造应力场。

步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，及时将岩芯加工成圆柱形岩样。在步骤1地应力测试部位附近钻取岩芯，确保钻孔轴向和现场最大地应力方向偏离角度在5°以内，并将岩芯加工成直径和高度比为1:2的圆柱形岩样圆柱形岩样，例如圆柱形岩样的直径为50mm、高度为100mm，并确保岩样的完整性和均质性。

步骤3：利用多通道超声波探伤仪对所述圆柱形岩样发出超声波探伤信号，采集岩样压缩试验前的岩样声波纵向波速ν_p1，实时采集和记录岩样压缩过程中的声发射撞击数、声波纵向波速ν_p2以及岩样轴向应力σ_o′、轴向变力、环向应变和体积应变，计算得到岩石弹性模量E、泊松比μ、饱和单轴抗压强度σ_c。

步骤301：将步骤2中得到的岩样安装在单轴压缩仪上，并在岩样上安装声发射和超声波探头、轴向位移传感器、环向位移传感器和压力传感器，并确保数据的正常采集。单轴压缩仪可以通过伺服控制岩石刚性试验机实现。

步骤302：实施单轴压缩试验，利用多通道超声波探伤仪控制对应的超声波和声发射耦合测试换能器向加载岩样发出超声波探伤信号。超声波和声发射测试仪器为超声波和声发射耦合测试换能器(包括发射端和接收端)、多通道超声波探伤仪、信号分流器及电脑采集系统。多通道超声波探伤仪的测试时间间隔为每0.5MPa测试一次或每2MPa测试一次。

步骤303：将多通道超声波探伤仪将超声波探伤结果传输给电脑，声发射仪将声发射监测结果传输给电脑，进行实时采集和记录，获得岩样压缩过程中的声发射撞击数、声波纵向波速以及岩样轴向应力、轴向应变、环向应变和体积应变，可得到岩石弹性模量E、泊松比μ、饱和单轴抗压强度σ_c。

步骤4：计算三种状态的硬岩起裂强度σ_ci ^j(j＝1,2,3)、硬岩损伤强度σ_cd ^j(j＝1,2,3)，σ_ci ^j(j＝1,2,3)包括基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹、基于体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，σ_cd ^j(j＝1,2,3)包括基于发射结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ¹、基于相对体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ³。

步骤401：依据试验结果绘制试验声发射撞击数—轴向应力—时间曲线图，得到声发射撞击数显著增长的起点对应的轴向应力，即为基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹，在起裂强度之后的声发射撞击数稳定发生区与再次突增的交界点对应的轴向应力即为硬岩损伤强度σ_cd ¹。

步骤402：裂纹应变是指在应力作用下，岩石内部的原生裂纹起裂和扩展以及新裂缝产生导致的岩石轴向和侧向变形的变化。根据相对体积裂纹应变并结合压缩过程中获得的轴向应变和轴向应力，绘制试验相对体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线，得到相对体积裂纹应变反向增长点对应的轴向应力，即为基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²。体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线反向减小的起始点对应的轴向应力，即为基于相对体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²。其中ε_v ^c为体积裂纹应变，可由计算获得，为体积裂纹应变最大值。

步骤403根据岩体损伤度D、声波纵向波速ν_p2之间的关系D＝1-(v_p2/v_p1)²，结合压缩过程中获得的轴向应力，绘制岩石损伤度-轴向应力曲线，得到岩石损伤度为零时的终点对应的轴向应力，即为基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，在起裂强度之后的岩石损伤度平稳增加与快速增加的临界点对应的轴向应力即为损伤强度σ_cd ³。

步骤5：利用极差原理计算等效起裂强度σ_ci ^*。

根据当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_ci ^*取数值最临近的两个σ_ci ^j值和的一半，同理，当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_cd ^*取数值最临近的两个σ_cd ^j值和的一半，其中max(σ_ci ^j)、max(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最大值，min(σ_ci ^j)、min(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最小值。

步骤6：根据地下洞室的应力环境计算自重应力场或者构造应力场下的岩石强度应力比值

步骤7：采用岩石强度应力比值与等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*进行比较，当SSR＜σ_ci ^*时，围岩不会发生岩爆灾害；当时，围岩发生轻微岩爆灾害；当时，围岩发生中等岩爆灾害；当SSR≥σ_cd ^*时，围岩发生强烈岩爆灾害，从而对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行评估。判别为围岩发生轻微岩爆灾害、中等岩爆灾害或者强烈岩爆灾害，则采取开挖小导洞卸荷、工作面喷湿的措施，判别为不会发生围岩岩爆灾害，则优化支护设计、降低地应力测试部位区域的支护强度。

上述自重应力场和构造应力场下的岩石强度应力比值两个公式的推导过程如下：

对于深埋洞室工程，假设洞室开挖前岩石处于各向同性的弹性状态，将洞室当作平面应变问题，可利用弹性力学理论求解在极坐标系下距洞室中心距离r处的任意一点应力张量在主平面上的地应力状态，如下

式中，σ_r为计算点在极坐标系下的径向应力，σ₁、σ₂分别为应力张量在主平面上的两个主应力(当忽略剪切应力时，σ₁、σ₂分别为水平方向及铅直方向的主应力)，a为洞室半径，r为计算点距离洞室中心的距离，θ为极坐标下的计算点与洞室中心连线绕r轴的转角，下同。

式中，σ_θ为计算点在极坐标系下的切向应力。

式中，τ_rθ为计算点在极坐标系下的剪切应力。

对于以自重应力场为主的深埋洞室工程，即当cos2θ＝1时，洞周围岩最大切向应力σ_θmax为：

当a＝r时，洞周最大应力集中系数为：

则洞周最大集中应力为：

σ_θmax＝(3-λ)σ_0max (6)

洞室开挖后，洞周最大切向应力与岩石单轴抗压强度的比值SSR_grav为：

式中，σ_c是岩石饱和单轴抗压强度。

对于以构造应力场为主的深埋洞室工程，即当cos2θ＝-1时，洞周围岩最大切向应力为：

当a＝r时，洞周最大应力集中系数为：

则洞周最大集中应力为：

洞室开挖后，洞周最大切向应力与岩石单轴抗压强度的应力强度比值SSR_tect为：

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：在施工现场勘探平硐内进行原位地应力测试，获取断面处应力张量主平面上的最大侧压力系数λ及原位最大主应力值σ_0max；

步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，及时将岩芯加工成圆柱形岩样；

步骤3：利用多通道超声波探伤仪对所述圆柱形岩样发出超声波探伤信号，采集岩样压缩试验前的岩样声波纵向波速ν_p1，实时采集和记录岩样单轴压缩试验过程中的声发射撞击数、声波纵向波速ν_p2以及岩样轴向应力σ′_o、轴向应变、环向应变和体积应变，计算得到岩石弹性模量E、泊松比μ、饱和单轴抗压强度σ_c；

步骤4：计算三种状态的硬岩起裂强度σ_ci ^j(j＝1,2,3)、硬岩损伤强度σ_cd ^j(j＝1,2,3)，σ_ci ^j(j＝1,2,3)包括基于声发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹、基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，σ_cd ^j(j＝1,2,3)包括基于发射结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ¹、基于体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²、基于超声波探伤结果获取的硬岩损伤强度σ_cd ³；

步骤5：利用极差原理计算等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*：

根据当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_ci ^*取数值最临近的两个σ_ci ^j值和的一半；同理，当时，当时，去掉偏离最大的值，σ_cd ^*取数值最临近的两个σ_cd ^j值和的一半，其中max(σ_ci ^j)、max(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最大值，min(σ_ci ^j)、min(σ_cd ^j)分别代表σ_ci ^j、σ_cd ^j(j＝1,2,3)中的最小值；

步骤6：根据地下洞室的应力环境计算自重应力场或者构造应力场下的岩石强度应力比值

步骤7：采用岩石强度应力比值与等效起裂强度σ_ci ^*和等效损伤强度σ_cd ^*进行比较，当SSR＜σ_ci ^*时，围岩不会发生岩爆灾害；当时，围岩发生轻微岩爆灾害；当时，围岩发生中等岩爆灾害；当SSR≥σ_cd ^*时，围岩发生强烈岩爆灾害，从而对深埋洞室硬岩岩爆灾害等级进行评估。

2.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤1中，所述原位地应力测试采用应力解除法通过地应力测试仪器实现，地应力测试仪器为空心包体式钻孔三向应变计。

3.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤2中，钻取岩芯的钻孔轴向和现场最大地应力方向偏离角度≤5°。

4.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤3中，所述单轴压缩试验通过单轴压缩仪实现，所述单轴压缩仪为伺服刚性试验机。

5.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤4中基于声发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹和硬岩损伤强度σ_cd ¹的获得方法为：依据试验结果绘制试验声发射撞击数-轴向应力-时间曲线图，得到声发射撞击数显著增长的起点对应的轴向应力，即为基于发射结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ¹，在起裂强度之后的声发射撞击数稳定发生区与再次突增的交界点对应的轴向应力即为硬岩损伤强度σ_cd ¹。

6.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤4中基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²的获得方法为：依据试验结果绘制试验相对体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线，得到相对体积裂纹应变反向增长点对应的轴向应力，即为基于相对体积裂纹应变获取的硬岩起裂强度σ_ci ²；体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线反向减小的起始点对应的轴向应力，即为基于体积裂纹应变获取的硬岩损伤强度σ_cd ²。

7.根据权利要求1所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤4中基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³和损伤强度σ_cd ³的获得方法为：依据试验结果绘制岩石损伤度-轴向应力曲线，得到岩石损伤度为零时的终点对应的轴向应力，即为基于超声波探伤结果获取的硬岩起裂强度σ_ci ³，在起裂强度之后的岩石损伤度平稳增加与快速增加的临界点对应的轴向应力即为损伤强度σ_cd ³。

8.根据权利要求6所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：根据相对体积裂纹应变结合压缩过程中获得的轴向应变和轴向应力，绘制试验相对体积裂纹应变-轴向应变-轴向应力曲线，相对体积裂纹应变 为体积裂纹应变，由计算获得，为体积裂纹应变最大值。

9.根据权利要求7所述的大埋深洞室硬岩岩爆灾变风险等级评估方法，其特征在于：根据岩石损伤度D绘制岩石损伤度-轴向应力曲线，岩石损伤度D＝1-(v_p2/v_p1)²。