CN111520193B - 非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其包括建立数据库、现场补充数据库、建立监测系统以及工作过程中监测方法调整等步骤。本发明具有能够更加精准、快速的预报岩爆的效果。
Description
技术领域
本发明涉及岩爆预防的技术领域，尤其是涉及一种非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法。
背景技术
目前针对岩爆的预防岩爆孕育过程现场实时监测，包括应力、扰动应力、微震、声发射、电磁辐射等监测，其中微震监测是岩爆最为广泛的监测方法。岩爆微震监测是根据评估的岩爆风险源区域，布置多个传感器(至少4个)，对岩爆风险源区域内的岩体破裂释放出的弹性波信号进行采集，根据采集获取的弹性波信号，进一步分析获得破裂位置、时间、能量等震源参数的监测方法。
该类方法在一定程度上实现了岩爆预报，但其存在一下明显的缺点，或者说是技术局限性：1.各类传感器往往需要通过钻孔的方式布置在岩体内部，安装固定要求高，耗时较长，施工现场难以保障传感器应紧跟工作面掘进而动态移动；2.传感元件反复安装、拆除在的破损风险，且价格不菲；3.岩爆预报范围模糊不利于工程现场组织防护，采用被动覆盖式防护时成本明显增大；4.现有的检测结果通常是人工对检测结果根据经验给出主观判断，反馈较慢，准确度也有待提升。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种精度更高、反应更快的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，包括以下步骤
一、收集现有隧道开挖过程中传统微震监测和地勘资料，确定不同类型围岩发生岩爆频率较高的位置，建立参考数据库；
二、利用超前地质钻孔获取待掘进区域的岩芯，在实验室中进行三轴试验，确定岩爆前兆时岩芯温度快速上升阶段温度变化规律；同时检测记录岩爆前夕岩芯温度上升时形变变化，将上述两个变化量输入数据库作为参考量，以步骤一中建立的参考数据库为基础，完善并形成“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库；
三、在隧道开挖过程中，在防护台车上加装多个用于监测围岩形变的激光传感器和用于监测围岩温度变化的红外温度传感器，并安装有用于报警的声光报警系统，所有红外温度传感器的监测区域将可能发生岩爆的区域全面覆盖，激光传感器能够针对可能发生岩爆的区域的每一点进行监测；
四、隧道开挖过程中，防护台车随着开挖一同移动，同时红外温度传感器对可能发生岩爆区域进行监测，发现某区域温度变化异常并与数据库中参考量接近时，激光传感器转向这一区域并对这一区域的形变进行监测，检测结果实时与数据库中的参照量进行比对，利用红外温度传感器和激光传感器自带的简易微机快速处理比较提前内置的数据库中岩爆变形或岩爆升温阈值信息，当红外温度传感器与激光传感器二者中任一检测到的数据与数据库中的参考数据匹配时，声光报警系统会进行报警，警示工作人员。
通过采用上述技术方案，岩爆模拟过程中裂纹的扩展产生的局部温度增幅要远大于发生弹射的局部温度增幅，也就是说岩爆之前围岩存在一个温度上升的加速峰值，由此对应的围岩变形加速度即是对应的报警最大变形加速度，捕捉到该规律即可预先判断岩爆趋势，形成所谓的岩爆判据。正是由于岩爆区域有一个能量集聚的过程，所以该过程中有岩爆趋势的围岩会出现温度升高，红外温度传感器搜索局部高温区域可将岩爆段落筛选出来，在此基础上依靠激光传感器进一步锁定位移增大较快的区域，从而实现高效且精准地预判。同时，“围岩力学参数-岩爆临界温度-岩爆临界形变”三者关系数据库，可以利用新的工程数据不断进行扩展充实，在此基础上逐步扩大样本，由此实现预报精度提升。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：步骤二中，利用超前地质钻孔获取岩芯后对岩芯测温，并在等温环境条件下进行三轴试验。
通过采用上述技术方案，由于隧道开挖环境特殊，温度较为稳定，所以在利用超前地质钻孔获取岩芯后测温，并在等温条件下进行三轴试验，能够使实验结果更加接近实际工况，减小获取的数据结果的误差，进一步提高了预报精度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：步骤四中，防护台车行进过程中激光传感器不工作，红外温度传感器对行进前方围岩温度变化进行感知。
通过采用上述技术方案，激光传感器是用于对可能发生岩爆区域中温度上升速度接近数据库中阈值区域进行精准定位的，且激光传感器的作用是监测当前区域的围岩形变变化量，需要较为稳定的环境以减少干扰量，在防护台车移动过程中，防护台车难免会产生振动，同时监测区域也会快速的更迭变换，此时开启激光传感器意义较低，激光传感器难以输出精准有效的监测结果，且有可能会因为干扰量较多较大输出错误结果，而红外温度传感器的监测面积较激光传感器更大，且仅对当前区域的温度变化进行监测，由于隧道中环境温度变化量较小，所以在台车移动过程中开启红外温度传感器后，红外温度传感器仍然可以随防护台车的移动对不同区域进行有效监测，当发现温度变化异常区域时，可以停车通过激光传感器进行精准定位和进一步监测。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：将步骤二中同类型围岩中选择的数据根据岩爆强烈程度分类，包括无岩爆、轻微岩爆、中度岩爆和强烈岩爆，步骤四中的声光报警系统会根据不同类别的岩爆发出不同的警示信号。
通过采用上述技术方案，根据岩爆发生时的剧烈程度对岩爆进行分级，并通过不同颜色、声音来对工作人员进行提示，能够让工作人员更加清楚的意识到可能发生的岩爆的危险等级，并作出有效的应对。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：将步骤二中同类型围岩的同阶段的不同温度变化量或形变量数据整合，取最大值和最小值作为最终参考量。
通过采用上述技术方案，充分采集并分析数据后得出的阈值，能够更加全面的面对不同工况，减小阈值过高导致预警不及时甚至发生岩爆之后仍未预警的可能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：：步骤一中的数据作为次级参考量，隧道开挖过程中利用传统微震监测或者地勘资料给出的大概位置布置仪器，利用红外温度传感器搜索局部高温区域将岩爆发生的范围进行缩小，利用光传感器进一步锁定位移增大较快的区域。
通过采用上述技术方案，可以利用传统微震监测、超前钻探或者地勘资料给出的大概位置布置仪器，然后利用红外温度传感器搜索局部高温区域将岩爆发生的范围进行缩小，依靠激光传感器进一步锁定位移增大较快的区域，由此实现岩爆位置准确预判，同时更有针对性的对可能发生岩爆的区域进行监测，效率更高。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：通过数学函数将防护台车移动过程中激光传感器和红外温度传感器采集到的信号进行过滤，剔除形变曲线中峰值和变化量明显超出现有数据库中参考数值的数据。
通过采用上述技术方案，激光出传感器灵敏度极高，普通的震动、撞击、以及台车移动所造成的干扰信号在方向以及强度上能够明显区别于围岩变形信号；隧道施工环境特殊，温度较为恒定，红外温度传感器干扰少，准确度高，通过函数将波动明显较大的干扰信号剔除，有效解决了隧道施工环境下数据采集的保真问题。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在步骤二中增加台车正常移动情况时，红外温度传感器和激光传感器接收到的信号，多次、并在不同工况下进行试验后，将实验数据存入数据库内作为信号过滤时的参考量。
通过采用上述技术方案，通过增加台车移动时造成的干扰信号作为参考量，能够进一步提高工作过程中采集到的的数据的真实性和准确性。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.岩爆模拟过程中裂纹的扩展产生的局部温度增幅要远大于发生弹射的局部温度增幅，也就是说岩爆之前围岩存在一个温度上升的加速峰值，由此对应的围岩变形加速度即是对应的报警最大变形加速度，捕捉到该规律即可预先判断岩爆趋势，形成所谓的岩爆判据。正是由于岩爆区域有一个能量集聚的过程，所以该过程中有岩爆趋势的围岩会出现温度升高，红外温度传感器搜索局部高温区域可将岩爆段落筛选出来，在此基础上依靠激光传感器进一步锁定位移增大较快的区域，从而实现高效且精准地预判。同时，围岩力学参数-岩爆临界温度-岩爆临界形变”三者关系数据库，可以利用新的工程数据不断进行扩展充实，在此基础上逐步扩大样本，由此实现预报精度提升；
2.利用传统微震监测、超前钻探或者地勘资料给出的大概位置布置仪器，然后利用红外温度传感器搜索局部高温区域将岩爆发生的范围进行缩小，依靠激光传感器进一步锁定位移增大较快的区域，由此实现岩爆位置准确预判，同时更有针对性的对可能发生岩爆的区域进行监测，效率更高；
3.激光出传感器灵敏度极高，普通的震动、撞击、以及台车移动所造成的干扰信号在方向以及强度上能够明显区别于围岩变形信号；隧道施工环境特殊，温度较为恒定，红外温度传感器干扰少，准确度高，通过函数将波动明显较大的干扰信号剔除，有效解决了隧道施工环境下数据采集的保真问题。
附图说明
图1是实施例的逻辑图；
图2是实施例中为表示红外传感器以及激光传感器感应范围的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，为本发明公开的一种非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，包括以下步骤:
一、收集现有隧道开挖过程中传统微震监测和地勘资料，确定不同类型围岩发生岩爆频率较高的位置，建立参考数据库。
二、利用超前地质钻孔获取待掘进区域的岩芯，对获取的岩芯进行测温，并在实验室中进行等温三轴试验，此处的等温指试验过程中环境温度与岩芯被获取时温度相同，确定岩爆前兆时岩芯温度快速上升阶段温度变化，同时检测记录岩爆前夕岩芯温度上升时形变变化，将上述两个变化量输入数据库作为参考量，同类型围岩的同阶段的不同温度变化量或形变量数据整合，取最大值和最小值作为最终参考量，以步骤一中建立的参考数据库为基础，完善并形成“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库，并对同类型围岩中选择的数据根据岩爆强烈程度分类，包括无岩爆、轻微岩爆、中度岩爆和强烈岩爆；除上述以获取岩芯时的环境温度作为基础温度进行的等温三轴试验外，还可以将获取岩芯后将岩芯等分为多份样本，并分别在不同环境温度下赋予岩芯不同的基础温度进行三轴试验，获取同类型岩芯在不同基础温度下发生岩爆前夕的温度变化速率与形变速率之间的关联关系，即发现岩芯在何种温度变化加速度下会产生较高的形变加速度并形成岩爆，将此种关联关系作为“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库中判定岩爆发生可能性的依据。
同时增加台车正常移动情况时，红外温度传感器和激光传感器接收到的信号，多次、并在不同工况下进行试验后，将实验数据存入数据库内作为信号过滤时的参考量。
三、在隧道开挖过程中，在防护台车上加装多个用于监测围岩形变的激光传感器和用于监测围岩温度变化的红外温度传感器，并安装有用于报警的声光报警系统，所有红外温度传感器的监测区域将可能发生岩爆的区域全面覆盖，激光传感器能够针对可能发生岩爆的区域的每一点进行监测；在隧道开挖之前收集当前区域传统微震监测和地勘资料完善数据库，作为次级参考量，隧道开挖过程中利用传统微震监测或者地勘资料给出的大概位置布置仪器，利用红外温度传感器搜索局部高温区域将岩爆发生的范围进行缩小，利用光传感器进一步锁定位移增大较快的区域。
四、隧道开挖过程中，防护台车随着开挖一同移动，防护台车行进过程中激光传感器不工作，红外温度传感器对行进前方围岩温度变化进行感知。红外温度传感器对可能发生岩爆区域进行监测，发现某区域温度变化异常并与数据库中参考量接近时，激光传感器转向这一区域并对这一区域的形变进行监测，检测结果实时与数据库中的参照量进行比对，利用红外温度传感器和激光传感器自带的简易微机快速处理比较提前内置的数据库中岩爆变形或岩爆升温阈值信息，当红外温度传感器与激光传感器二者中任一检测到的数据与数据库中的参考数据匹配时，声光报警系统会进行报警，警示工作人员，同时声光报警系统会根据不同类别的岩爆发出不同的警示信号。另外，通过数学函数将防护台车移动过程中激光传感器和红外温度传感器采集到的信号进行过滤，剔除形变曲线中峰值和变化量明显超出现有数据库中参考数值的数据。另外，我们也可以选用灵敏度较高的红外温度传感器对岩爆易发生区进行大面积监测，并在获取当前区域温度异常点后通过激光传感器对异常点的形变量进行监测，同时获取当前区域各温度异常点的温度变化速率以及环境温度，即获取了等温三轴试验中的岩芯的“基础温度”通过对比“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库与岩爆预警模型中设置的有关温度变化加速度与形变变化加速度之间的关联规律，即同时与岩爆前夕温度变化加速度的阈值以及形变变化加速度阈值作对比，判断温度异常区域发生岩爆的可能性以及可能发生的岩爆的剧烈程度。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：包括以下步骤
一、收集现有隧道开挖过程中传统微震监测和地勘资料，确定不同类型围岩发生岩爆频率较高的位置，建立参考数据库；
二、利用超前地质钻孔获取待掘进区域的岩芯，在实验室中进行三轴试验，确定岩爆前兆时岩芯温度快速上升阶段温度变化规律；同时检测记录岩爆前夕岩芯温度上升时形变变化，将上述两个变化量输入数据库作为参考量，以步骤一中建立的参考数据库为基础，完善并形成“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库；
三、在隧道开挖过程中，在防护台车上加装多个用于监测围岩形变的激光传感器和用于监测围岩温度变化的红外温度传感器，并安装有用于报警的声光报警系统，所有红外温度传感器的监测区域将可能发生岩爆的区域全面覆盖，激光传感器能够针对可能发生岩爆的区域的每一点进行监测；
四、隧道开挖过程中，防护台车随着开挖一同移动，同时红外温度传感器对可能发生岩爆区域进行监测，发现某区域温度变化异常并与数据库中参考量接近时，激光传感器转向这一区域并对这一区域的形变进行监测，检测结果实时与数据库中的参照量进行比对，利用红外温度传感器和激光传感器自带的简易微机快速处理比较提前内置的数据库中岩爆变形或岩爆升温阈值信息，当红外温度传感器与激光传感器二者中任一检测到的数据与数据库中的参考数据匹配时，声光报警系统会进行报警，警示工作人员。
2.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：步骤二中，利用超前地质钻孔获取岩芯后对岩芯测温，并在等温环境条件下进行三轴试验。
3.根据权利要求2所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：所述步骤二中，获取岩芯后将岩芯等分为多份样本，并分别在不同环境温度下赋予岩芯不同的基础温度进行三轴试验，获取同类型岩芯在不同基础温度下发生岩爆前夕的温度变化速率与形变速率之间的关联关系，即发现岩芯在何种温度变化加速度下会产生较高的形变加速度并形成岩爆，将此种关联关系作为“围岩力学参数-岩爆临界形变-岩爆临界温度”数据库中判定岩爆发生可能性的依据。
4.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：步骤四中，防护台车行进过程中激光传感器不工作，红外温度传感器对行进前方围岩温度变化进行感知。
5.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：将步骤二中同类型围岩中选择的数据根据岩爆强烈程度分类，包括无岩爆、轻微岩爆、中度岩爆和强烈岩爆，步骤四中的声光报警系统会根据不同类别的岩爆发出不同的警示信号。
6.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：将步骤二中同类型围岩的同阶段的不同温度变化量或形变量数据整合，取最大值和最小值作为最终参考量。
7.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：步骤一中的数据作为次级参考量，隧道开挖过程中利用传统微震监测或者地勘资料给出的大概位置布置仪器，利用红外温度传感器搜索局部高温区域将岩爆发生的范围进行缩小，利用激光传感器进一步锁定位移增大较快的区域。
8.根据权利要求1所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：通过数学函数将防护台车移动过程中激光传感器和红外温度传感器采集到的信号进行过滤，剔除形变曲线中峰值和变化量明显超出现有数据库中参考数值的数据。
9.根据权利要求7所述的非接触式隧道工程施工岩爆实时预报方法，其特征在于：在步骤二中增加台车正常移动情况时，红外温度传感器和激光传感器接收到的信号，多次、并在不同工况下进行试验后，将实验数据存入数据库内作为信号过滤时的参考量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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