CN114483024A - 岩爆等级原位评价与控制设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩爆等级原位评价与控制设计方法，涉及地下工程安全技术领域。所述方法采用智能钻机进行围岩套孔应力解除钻进测试，获取围岩最大主应力、智能钻机随钻参数和预设钻头参数；根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的等效抗压强度；根据围岩等效抗压强度和最大主应力，确定围岩岩爆等级，根据岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系设计。本发明可以降低岩爆发生的风险，保证施工安全。
Description
技术领域
本申请涉及地下工程安全技术领域，特别是涉及一种岩爆等级原位评价与控制设计方法。
背景技术
岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射的现象，多发生在强度高、厚度大的坚硬岩（煤）层中，主要影响因素包括岩（煤）层顶底板条件、原岩应力、埋深等。目前，随着浅部煤炭资源的枯竭，深部煤矿开采将成为常态。由于深部岩石力学行为与浅部存在明显区别以及深部岩层环境的复杂性，在深部煤矿开采中发生的以岩爆、冲击地压为代表的动力灾害事故相比浅部在程度上加剧、频度上提高。尤其对于埋深大、应力高、地质构造复杂的巷道，极易出现强烈动力现象，对施工人员和设备造成巨大威胁，同时增加施工成本，影响施工进度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种岩爆等级原位评价与控制设计方法。
第一方面，提供了一种岩爆等级原位评价方法，所述方法包括：
采用智能钻机进行围岩套孔应力解除钻进测试，获取围岩最大主应力、智能钻机随钻参数和预设钻头参数；
根据所述随钻参数和所述钻头参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度；
根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级，根据所述岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系的设计。
作为一种可选的实施方式，所述智能钻机采用取芯数字解析钻头，所述取芯数字解析钻头包括方形复合片和实心钢制胎体，所述方形复合片镶嵌于所述实心钢制胎体中，形成所述取芯数字解析钻头的钻头切削刃。
作为一种可选的实施方式，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力，所述钻头参数包括所述取芯数字解析钻头的钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数、钻头半径和钻头切削刃长度，所述根据所述随钻参数和所述钻头参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度的公式为：
其中，
表示岩体等效抗压强度，V表示钻进速度，N表示钻头转速，M表示钻进扭矩，F表示钻进压力，μ表示钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数，Rc表示钻头半径，l表示钻头切削刃长度，a表示第一拟合系数，b表示第二拟合系数。
作为一种可选的实施方式，所述根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级，包括：
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为极强岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为强烈岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为中等岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为轻微岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆。
作为一种可选的实施方式，所述方法还包括：
根据所述随钻参数，通过液压伺服阀动态调整进油量，控制所述智能钻机的所述钻进速度和所述钻头转速保持恒定，或控制所述智能钻机的所述钻进压力和所述钻头转速保持恒定，以使所述智能钻机以恒钻进速度和恒钻头转速，或所述恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
第二方面，提供了一种岩爆控制设计方法，所述方法包括：
利用如权利要求1至5任一项所述的一种岩爆等级原位评价方法，确定围岩的岩爆等级；
根据所述岩爆等级动态设计岩爆控制联合支护体系的支护参数，所述支护参数包括柔性抗爆网直径和筋间距、高预应力吸能锚固支护构件的间排距和长度中的一种或多种；
将所述柔性抗爆网组装并铺设固定于所述围岩上；
安装所述高预应力吸能锚固支护构件，采用锚固剂进行快速锚固，并快速对所述高预应力吸能锚固支护构件施加高预应力。
作为一种可选的实施方式，在所述岩爆控制设计方法的施工区域安装有监测元件，所述监测元件包括锚杆轴力计、围岩位移计和微震监测传感器，所述方法还包括：
通过所述监测元件分别采集施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征；
根据所述锚杆轴力、所述围岩变形量和所述岩体破裂微震特征对岩爆控制效果进行评价，得到评价结果；
根据所述评价结果动态优化所述支护参数。
作为一种可选的实施方式，所述岩爆控制联合支护体系为“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系，包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，所述柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀的特点，所述高预应力吸能锚固支护构件具有高恒阻、高吸能、高延伸率的特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩能够及时获得应力补偿，所述高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。
第三方面，提供了一种岩爆等级原位评价与控制设计系统，所述系统包括：
智能钻机，用于执行围岩的套孔应力解除钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数；
应变式传感器，用于采集所述围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值；
主控装置，用于获取所述智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数，根据所述随钻参数和所述钻头参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度；
所述主控装置，还用于获取所述围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值，根据所述应变值确定所述围岩的最大主应力；
所述主控装置，还用于根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级。
作为一种可选的实施方式，所述随钻参数包括钻头转速、钻进压力、钻进扭矩和钻进速度，所述智能钻机包括取芯数字解析钻头、高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器，所述取芯数字解析钻头用于在套孔应力解除钻进测试的过程中对所述围岩的岩芯进行应力解除，所述高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器分别用于采集所述围岩在套孔应力解除钻进测试的过程中所述智能钻机的所述钻头转速、所述钻进压力、所述钻进扭矩和所述钻进速度。
作为一种可选的实施方式，所述取芯数字解析钻头包括方形复合片和实心钢制胎体，所述方形复合片镶嵌于所述实心钢制胎体中，形成所述取芯数字解析钻头的钻头切削刃。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，具体用于：
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为极强岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为强烈岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为中等岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为轻微岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，还用于：
根据所述随钻参数，通过液压伺服阀动态调整进油量，控制所述智能钻机的所述钻进速度和所述钻头转速保持恒定，或控制所述智能钻机的所述钻进压力和所述钻头转速保持恒定，以使所述智能钻机以恒钻进速度和恒钻头转速，或所述恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
作为一种可选的实施方式，所述系统还包括岩爆控制联合支护体系，所述岩爆控制联合支护体系为“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系，包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，所述柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀的特点，所述高预应力吸能锚固支护构件具有高恒阻、高吸能、高延伸率的特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩能够及时获得应力补偿，所述高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，还用于：
根据所述岩爆等级动态设计所述岩爆控制联合支护体系的支护参数，所述支护参数包括柔性抗爆网直径和筋间距、所述高预应力吸能锚固支护构件的间排距和长度中的一种或多种。
作为一种可选的实施方式，所述系统还包括：
监测元件，所述监测元件包括锚杆轴力计、围岩位移计和微震监测传感器，分别用于采集施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，还用于：
获取施工区域内的所述锚杆轴力、所述围岩变形量和所述岩体破裂微震特征；
根据所述锚杆轴力、所述围岩变形量和所述岩体破裂微震特征对岩爆控制效果进行评价，得到评价结果；
根据所述评价结果动态优化所述支护参数。
第四方面，提供了一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的方法步骤。
第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。
本申请提供了一种岩爆等级原位评价与控制设计方法，本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
首先，在采用智能钻机进行围岩的套孔应力解除钻进测试的情况下，计算机设备获取巷道中围岩的最大主应力、智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数。然后，计算机设备根据随钻参数，确定围岩的岩体等效抗压强度，最后，计算机设备根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，以使设计人员根据岩爆等级进行岩爆控制支护体系的设计。由于岩体等效抗压强度和最大主应力为通过围岩的实时原位测试数据计算得到，因此，根据岩体等效抗压强度和最大主应力确定围岩岩爆等级是一种实时原位评价，能够真实准确地反应围岩的岩爆倾向性，根据该岩爆等级设计的岩爆控制联合支护体系，能够有效降低岩爆的发生风险，保证施工安全。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种岩爆等级原位评价与控制设计方法的技术路线图；
图2为本申请实施例提供的一种智能钻机和岩爆控制联合支护体系的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种岩爆等级原位评价方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种套孔应力解除钻进测试的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种围岩的岩爆控制联合支护体系的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种岩爆等级原位评价与控制设计系统的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的岩爆等级原位评价与控制设计方法，可以应用于煤矿开采中巷道或硐室开挖及掘进的设计与施工过程。图1为本申请实施例提供一种岩爆等级原位评价与控制设计方法的技术路线图，如图1所示，具体处理过程如下：
在煤矿开采中巷道或硐室开挖及掘进的设计与施工过程中，通过超前钻进岩爆评价系统对围岩进行套孔应力解除钻进测试；
在套孔应力解除钻进测试中，利用套孔应力解除法，通过应变式传感器获取原岩应力，应变式传感器包括孔壁应变计、空心包体应变计和实心包体应变计；
在套孔应力解除钻进测试中，获取智能钻机的随钻参数，随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力，并通过随钻参数确定岩体等效抗压强度；
根据岩体等效抗压强度和原岩应力，利用强度应力比法确定围岩的岩爆等级，岩爆等级包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆；
根据岩爆等级确定“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系的支护参数，“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀的特点，高预应力吸能锚固支护构件具有高强度、高吸能、高预应力的特点；
对围岩现场进行实时监测与评价，根据评价结果反馈优化“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系的支护参数。
图2为本申请实施例提供的一种智能钻机和岩爆控制联合支护体系的示意图。如图2所示，智能钻机210可以对煤矿开采的巷道或硐室中的围岩进行套孔应力解除钻进测试，并采集测试过程中的随钻参数。岩爆控制联合支护体系包括柔性抗爆网220、高预应力吸能锚杆230和高预应力吸能锚索240。在采用智能钻机210进行围岩的套孔应力解除钻进测试的情况下，计算机设备可以获取巷道中围岩的最大主应力、智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数。然后，计算机设备根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度。最后，计算机设备根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，根据岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系的设计。
下面将结合具体实施方式，对本申请实施例提供的岩爆等级原位评价与控制设计方法进行详细的说明，图3为本申请实施例提供的一种岩爆等级原位评价方法的流程图，如图3所示，具体步骤如下：
步骤301和302，采用智能钻机进行围岩的套孔应力解除钻进测试，获取围岩最大主应力、智能钻机随钻参数和预设钻头参数。
在实施中，在采用智能钻机进行围岩的套孔应力解除钻进测试的情况下，计算机设备获取巷道中围岩的最大主应力、智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数。其中，钻头参数为智能钻机在进行围岩的套孔应力解除钻进测试时使用的钻头的基础参数，包括钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数、钻头的半径、钻头切削刃的长度等。图4为本申请实施例提供的一种套孔应力解除钻进测试的示意图，如图4所示，智能钻机进行套孔应力解除钻进测试的执行过程如下：
步骤一，从围岩的岩体表面向岩体内部打出大孔410，直至需要测量围岩岩体应力的部位，钻孔结束后将孔底磨平，并打出锥形孔，清洗钻孔，其中，大孔410的直径为步骤二中的小孔420的直径的3倍以上。
步骤二，从大孔410的底部打出同心小孔420，并放水清洗钻孔，其中，小孔420用于安装监测仪器430，小孔420的深度一般为孔径的10倍左右，从而保证小孔420的中央部位处于平面应变状态。
步骤三，采用专用工具将应变式传感器430安装至小孔420的中央部位，其中，应变式传感器430可以是孔壁应变计、空心包体应变计和实心包体应变计。
步骤四，采用取芯数字解析钻头继续延伸大孔410，使小孔420周围的岩芯实现应力解除。同时，应变式传感器430采集由应力解除引起的应变并传输给计算机设备，智能钻机采集钻进速度、钻头转速、钻进压力、钻进扭矩等随钻参数并传输给计算机设备。
需要说明的是，计算机设备根据应变式传感器430在应力解除前后采集的应变值和弹性理论可以确定小孔420周围围岩的原岩应力状态，从而得到围岩的最大主应力。
步骤303，根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度。
在实施中，计算机设备根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度。其中，岩体等效抗压强度为围岩的岩体强度参数，抗压强度为岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所能承受的荷载。
作为一种可选的实施方式，智能钻机采用取芯数字解析钻头，取芯数字解析钻头包括方形复合片和实心钢制胎体，方形复合片镶嵌于实心钢制胎体中，形成取芯数字解析钻头的钻头切削刃，用于进行岩体切削过程的力学解析。
作为一种可选的实施方式，随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力，钻头参数包括取芯数字解析钻头的钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数、钻头半径和钻头切削刃长度，计算机设备根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度的公式为：
其中，
表示岩体等效抗压强度，V表示钻进速度，N表示钻头转速，M表示钻进扭矩，F表示钻进压力，μ表示钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数，Rc表示钻头半径，l表示钻头切削刃长度，a表示第一拟合系数，b表示第二拟合系数，拟合系数可以通过前期试验中的模型线性拟合得到。
需要说明的是，本方案中摆脱了传统测试方法现场钻孔取芯-编录-运输-切割打磨-室内试验的流程，通过围岩的套孔应力解除钻进测试获取随钻参数，然后根据随钻参数确定围岩的岩体等效抗压强度，实现了岩体强度参数的现场原位测试，获得了更为准确的岩体强度参数。
步骤304和305，根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，根据岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系的设计。
在实施中，计算机设备根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，以使设计人员根据岩爆等级，结合具体施工条件进行岩爆控制联合支护体系的设计。
作为一种可选的实施方式，为了准确地向施工人员进行岩爆等级的预警，计算机设备根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级的处理过程如下：
步骤一，如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为极强岩爆。优选的，第一预设阈值为1。
步骤二，如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为强烈岩爆。优选的，第二预设阈值为2。
步骤三，如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为中等岩爆。优选的，第三预设阈值为4。
步骤四，如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为轻微岩爆。优选的，第四预设阈值为7。
步骤五，如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为无岩爆。
作为一种可选的实施方式，计算机设备的处理过程还包括：根据随钻参数，通过液压伺服阀动态调整进油量，控制智能钻机的钻进速度和钻头转速保持恒定，或控制智能钻机的钻进压力和钻头转速保持恒定，以使智能钻机以恒钻进速度和恒钻头转速，或恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
为了进一步降低的发生风险，保证施工安全，本申请实施例还提供一种岩爆控制设计方法，具体步骤如下：
步骤一，利用上述岩爆等级原位评价方法，确定围岩的岩爆等级。
步骤二，根据岩爆等级动态设计岩爆控制联合支护体系的支护参数，支护参数包括柔性抗爆网直径和筋间距、混凝土喷射厚度、高预应力吸能锚固支护构件的间排距和长度中的一种或多种。
步骤三，将柔性抗爆网组装并铺设固定于围岩上。
步骤四，安装高预应力吸能锚固支护构件，采用锚固剂进行快速锚固，并快速对高预应力吸能锚固支护构件施加高预应力。优选的，锚固剂为树脂锚固剂。
作为一种可选的实施方式，为了提高岩爆控制联合支护体系的支护效果，在岩爆控制设计方法的施工区域安装有监测元件，监测元件包括锚杆轴力计、围岩位移计和微震监测传感器，计算机设备的处理过程还包括：
步骤一，通过监测元件分别采集施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征。
步骤二，根据锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征对岩爆控制效果进行评价，得到评价结果。
步骤三，根据评价结果动态优化支护参数。
作为一种可选的实施方式，岩爆控制联合支护体系为“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系，包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀等特点，高预应力吸能锚固支护构件具有高恒阻、高吸能、高延伸率等特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩能够及时获得应力补偿，高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。
在实施中，图5为本申请实施例提供的一种围岩的岩爆控制联合支护体系的示意图，如图5所示，在围岩510上安装的岩爆控制联合支护体系包括柔性抗爆网520和高预应力吸能锚固支护构件。其中，柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀等特点，当围岩510发生岩爆时，柔性抗爆网能够将爆裂弹射出的岩块施加的局部集中荷载向四周均匀传递，充分吸收围岩释放能量，发挥岩爆控制联合支护体系的防护能力，保证施工人员和设备的安全。高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆530和高预应力吸能锚索540，具有高恒阻、高吸能、高延伸率等特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩510能够及时获得应力补偿，降低或避免了岩爆的发生风险。优选的，高预应力吸能锚固支护构件的材料包括NPR（Negative Poisson Ratio，负泊松比）材料、TWIP（Twinning Induced PlasticitySteel，孪生诱发塑性钢）高强高韧材料和其他理想塑性材料。
本申请实施例还提供一种超前钻进岩爆评价系统，该超前钻进岩爆评价系统可以实施本申请中的岩爆等级原位评价方法，可以在煤矿开采中巷道或硐室开挖及掘进之前，对围岩的岩爆等级进行超前评价，以使设计人员根据岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系的设计。
本申请实施例提供了一种岩爆等级原位评价与控制设计方法，首先，在采用智能钻机进行围岩的套孔应力解除钻进测试的情况下，计算机设备获取巷道中围岩的最大主应力、智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数。然后，计算机设备根据随钻参数，确定围岩的岩体等效抗压强度，最后，计算机设备根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，以使设计人员根据岩爆等级进行岩爆控制支护体系的设计。由于岩体等效抗压强度和最大主应力为通过围岩的实时原位测试数据计算得到，因此，根据岩体等效抗压强度和最大主应力确定围岩岩爆等级是一种实时原位评价，能够真实准确地反应围岩的岩爆倾向性，根据该岩爆等级设计的岩爆控制联合支护体系，能够有效降低岩爆的发生风险，保证施工安全。
应该理解的是，虽然图1和图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1和图3中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
可以理解的是，本说明书中上述方法的各个实施例之间相同/相似的部分可互相参见，每个实施例重点说明的是与其他实施例的不同之处，相关之处参见其他方法实施例的说明即可。
本申请实施例还提供了一种岩爆等级原位评价与控制设计系统，如图6所示，该系统包括：
智能钻机610用于执行围岩的套孔应力解除钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数；
应变式传感器620，用于采集围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值；
主控装置630，用于获取智能钻机610的随钻参数和预设的钻头参数，根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度；
主控装置630，还用于获取围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值，根据应变值确定围岩的最大主应力；
主控装置630，还用于根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级。
作为一种可选的实施方式，随钻参数包括钻头转速、钻进压力、钻进扭矩和钻进速度，智能钻机包括取芯数字解析钻头、高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器，取芯数字解析钻头用于在套孔应力解除钻进测试的过程中对围岩的岩芯进行应力解除，高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器分别用于采集围岩在套孔应力解除钻进测试的过程中智能钻机的钻头转速、钻进压力、钻进扭矩和钻进速度。
作为一种可选的实施方式，取芯数字解析钻头包括方形复合片和实心钢制胎体，方形复合片镶嵌于实心钢制胎体中，形成取芯数字解析钻头的钻头切削刃。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，具体用于：
如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为极强岩爆；
如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为强烈岩爆；
如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为中等岩爆；
如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为轻微岩爆；
如果岩体等效抗压强度和最大主应力的比值大于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为无岩爆。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，还用于：
根据随钻参数，通过液压伺服阀动态调整进油量，控制智能钻机的钻进速度和钻头转速保持恒定，或控制智能钻机的钻进压力和钻头转速保持恒定，以使智能钻机以恒钻进速度和恒钻头转速，或恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
作为一种可选的实施方式，系统还包括岩爆控制联合支护体系，岩爆控制联合支护体系为“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系，包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀的特点，高预应力吸能锚固支护构件具有高恒阻、高吸能、高延伸率的特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩能够及时获得应力补偿，高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，还用于：
根据岩爆等级动态设计岩爆控制联合支护体系的支护参数，支护参数包括柔性抗爆网直径和筋间距、混凝土喷射厚度、高预应力吸能锚固支护构件的间排距和长度中的一种或多种。
作为一种可选的实施方式，系统还包括：
监测元件，监测元件包括锚杆轴力计、围岩位移计和微震监测传感器，分别用于采集施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，还用于：
获取施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征；
根据锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征对岩爆控制效果进行评价，得到评价结果；
根据评价结果动态优化支护参数。
本申请实施例提供了一种岩爆等级原位评价与控制设计系统。首先，智能钻机执行围岩的套孔应力解除钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数，同时，应变式传感器采集围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值。然后，主控装置获取智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数，根据随钻参数和钻头参数，确定围岩的岩体等效抗压强度。主控装置获取围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值，根据应变值确定围岩的最大主应力。主控装置根据岩体等效抗压强度和最大主应力，确定围岩的岩爆等级，以使设计人员根据岩爆等级进行岩爆控制支护体系的设计。由于岩体等效抗压强度和最大主应力为通过围岩的实时原位测试数据计算得到，因此，根据岩体等效抗压强度和最大主应力确定围岩岩爆等级是一种实时原位评价，能够真实准确地反应围岩的岩爆倾向性，根据该岩爆等级设计的岩爆控制联合支护体系，能够有效降低岩爆的发生风险，保证施工安全。
关于岩爆等级原位评价与控制设计系统的具体限定可以参见上文中对于岩爆等级原位评价与控制设计方法的限定，在此不再赘述。上述岩爆等级原位评价与控制设计系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，如图7所示，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述岩爆等级原位评价和岩爆控制设计的方法步骤。
在一个实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述岩爆等级原位评价和岩爆控制设计的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink）DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
还需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于展示的数据、分析的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种岩爆等级原位评价方法，其特征在于，所述方法包括：
采用智能钻机进行围岩套孔应力解除钻进测试，获取围岩最大主应力、智能钻机随钻参数和预设钻头参数；
根据所述随钻参数和所述钻头参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度；
根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级，根据所述岩爆等级进行岩爆控制联合支护体系的设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能钻机采用取芯数字解析钻头，所述取芯数字解析钻头包括方形复合片和实心钢制胎体，所述方形复合片镶嵌于所述实心钢制胎体中，形成所述取芯数字解析钻头的钻头切削刃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力，所述钻头参数包括所述取芯数字解析钻头的钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦系数、钻头半径和钻头切削刃长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级，包括：
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为极强岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为强烈岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第二预设阈值，且小于或等于第三预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为中等岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为轻微岩爆；
如果所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力的比值大于第四预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述随钻参数，通过液压伺服阀动态调整进油量，控制所述智能钻机的所述钻进速度和所述钻头转速保持恒定，或控制所述智能钻机的所述钻进压力和所述钻头转速保持恒定，以使所述智能钻机以恒钻进速度和恒钻头转速，或所述恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
6.一种岩爆控制设计方法，其特征在于，所述方法包括：
利用如权利要求1至5任一项所述的一种岩爆等级原位评价方法，确定围岩的岩爆等级；
根据所述岩爆等级动态设计岩爆控制联合支护体系的支护参数，所述支护参数包括柔性抗爆网直径和筋间距、高预应力吸能锚固支护构件的间排距和长度中的一种或多种；
将所述柔性抗爆网组装并铺设固定于所述围岩上；
安装所述高预应力吸能锚固支护构件，采用锚固剂进行快速锚固，并快速对所述高预应力吸能锚固支护构件施加高预应力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述岩爆控制设计方法的施工区域安装有监测元件，所述监测元件包括锚杆轴力计、围岩位移计和微震监测传感器，所述方法还包括：
通过所述监测元件分别采集施工区域内的锚杆轴力、围岩变形量和岩体破裂微震特征；
根据所述锚杆轴力、所述围岩变形量和所述岩体破裂微震特征对岩爆控制效果进行评价，得到评价结果；
根据所述评价结果动态优化所述支护参数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述岩爆控制联合支护体系为“柔性抗爆网-高预应力吸能锚固支护构件”岩爆控制联合支护体系，包括柔性抗爆网和高预应力吸能锚固支护构件，所述柔性抗爆网具有高强度、高延伸率、耐腐蚀的特点，所述高预应力吸能锚固支护构件具有高恒阻、高吸能、高延伸率的特点，能够快速施加高预应力，以使开挖后的围岩能够及时获得应力补偿，所述高预应力吸能锚固支护构件包括高预应力吸能锚杆和高预应力吸能锚索。
9.一种岩爆等级原位评价与控制设计系统，其特征在于，所述系统包括：
智能钻机，用于执行围岩的套孔应力解除钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数；
应变式传感器，用于采集所述围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值；
主控装置，用于获取所述智能钻机的随钻参数和预设的钻头参数，根据所述随钻参数和所述钻头参数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度；
所述主控装置，还用于获取所述围岩在套孔应力解除钻进测试中的应变值，根据所述应变值确定所述围岩的最大主应力；
所述主控装置，还用于根据所述岩体等效抗压强度和所述最大主应力，确定所述围岩的岩爆等级。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述随钻参数包括钻头转速、钻进压力、钻进扭矩和钻进速度，所述智能钻机包括取芯数字解析钻头、高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器，所述取芯数字解析钻头用于在套孔应力解除钻进测试的过程中对所述围岩的岩芯进行应力解除，所述高精度转速传感器、高精度压力传感器、高精度扭矩传感器和高精度位移传感器分别用于采集所述围岩在套孔应力解除钻进测试的过程中所述智能钻机的所述钻头转速、所述钻进压力、所述钻进扭矩和所述钻进速度。
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