CN115618526B - 岩爆能量原位测试与评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩爆能量原位测试与评价方法，涉及地下工程安全技术领域。所述方法采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，获取智能钻机的随钻参数；根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度；根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。采用本发明可以及时准确地获取围岩的岩爆能量，为岩爆控制设计提供依据。
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能量原位测试与评价方法。
背景技术
我国超千米埋深的煤炭资源约占探明储量的53%，是我国主体能源的战略保障，随着浅部煤炭资源枯竭，煤矿开采向深部发展是必然趋势。然而，由于深部矿井巷道面临高地应力、强扰动等复杂条件，以岩爆为代表的岩体动力灾害事故频发。其中，岩爆发生的本质在于围岩积聚能量的突然释放，通常伴随岩石爆裂并弹射的现象，对施工人员和设备造成巨大威胁，增加施工成本，影响施工进度。为了确保施工安全和施工进度，及时准确地获取围岩的岩爆能量十分必要，因此，亟需一种岩爆能量原位测试与评价方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种岩爆能量原位测试与评价方法。
第一方面，提供了一种岩爆能量原位测试与评价方法，所述方法包括：
采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，获取所述智能钻机的随钻参数；
根据所述随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度；
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；
根据所述围岩所受最大应力、所述岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定所述围岩的岩爆能量。
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、所述岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力，包括：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述原岩应力参数，确定所述围岩的岩爆类型；
根据所述岩爆类型和所述原岩应力参数，确定所述围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，所述原岩应力参数包括最大主应力和最小主应力，所述根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述原岩应力参数，确定所述围岩的岩爆类型，包括：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述最小主应力，确定所述最小主应力对应的最大主应力安全阈值；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且大于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为瞬时岩爆；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且小于或等于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
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、所述岩体等效抗拉强度和所述最小主应力，确定所述最小主应力对应的最大主应力安全阈值的公式为：
其中，
表示最大主应力安全阈值，/>
表示岩体等效抗压强度，/>
表示最小主应力，/>
表示岩体等效抗拉强度。
作为一种可选的实施方式，所述原岩应力参数包括最大主应力，所述根据所述岩爆类型和所述原岩应力参数，确定所述围岩所受最大应力，包括：
如果所述岩爆类型为瞬时岩爆，则将所述最大主应力确定为所述围岩所受最大应力；
如果所述岩爆类型为滞后岩爆，则将所述最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为所述围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，所述根据所述围岩所受最大应力、所述岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定所述围岩的岩爆能量，包括：
根据所述围岩所受最大应力和所述围岩峰值应变，确定所述围岩所受最大应力对应的岩体能量；
根据所述岩体等效抗压强度和所述围岩峰值应变，确定所述围岩对应的岩体单轴破坏所需能量；
将所述围岩所受最大应力对应的岩体能量与所述岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为所述围岩的岩爆能量。
作为一种可选的实施方式，所述根据所述围岩所受最大应力和所述围岩峰值应变，确定所述围岩所受最大应力对应的岩体能量的公式为：
其中，
表示围岩所受最大应力对应的岩体能量，/>
表示围岩所受最大应力，/>
表示围岩峰值应变。
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围岩峰值应变，确定所述围岩对应的岩体单轴破坏所需能量公式为：
其中，
表示围岩对应的岩体单轴破坏所需能量，/>
表示岩体等效抗压强度，/>
表示围岩峰值应变。
作为一种可选的实施方式，所述方法还包括：
如果所述岩爆能量小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆；
如果所述岩爆能量大于第一预设阈值，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轻微岩爆；
如果所述岩爆能量大于第二预设阈值，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；
如果所述岩爆能量大于第三预设阈值，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强烈岩爆。
作为一种可选的实施方式，所述智能钻机采用数字解析钻头，所述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、第一列切削刃长度、第二列切削刃长度和第三列切削刃长度。
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。
作为一种可选的实施方式，所述拟合系数包括第一拟合系数、第二拟合系数、第三拟合系数和第四拟合系数，根据所述随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度的公式为：
其中，
表示岩体等效抗压强度，/>
表示岩体等效抗拉强度，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，R s 表示钻头半径，L 1表示第一列切削刃长度，L 2表示第二列切削刃长度，L 3表示第三列切削刃长度，a 1表示第一拟合系数，b 1表示第二拟合系数，a 2表示第三拟合系数，b 2表示为第四拟合系数。
第二方面，提供了一种岩爆能量原位测试与评价系统，所述系统包括：
智能钻机，用于对围岩执行数字钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数；
主控装置，用于获取所述智能钻机的随钻参数，根据所述随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度；
所述主控装置，还用于根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；
所述主控装置，还用于根据所述围岩所受最大应力、所述岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定所述围岩的岩爆能量。
作为一种可选的实施方式，所述智能钻机包括数字解析钻头、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数字钻进测试的过程中的所述钻头转速、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，形成所述数字解析钻头的钻头切削刃，所述方形复合片与岩石呈线性接触受力状态，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，所述主控装置，具体用于：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述原岩应力参数，确定所述围岩的岩爆类型；
根据所述岩爆类型和所述原岩应力参数，确定所述围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，所述原岩应力参数包括最大主应力和最小主应力，所述主控装置，具体用于：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述最小主应力，确定所述最小主应力对应的最大主应力安全阈值；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且大于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为瞬时岩爆；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且小于或等于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
作为一种可选的实施方式，所述原岩应力参数包括最大主应力，所述主控装置，具体用于：
如果所述岩爆类型为瞬时岩爆，则将所述最大主应力确定为所述围岩所受最大应力；
如果所述岩爆类型为滞后岩爆，则将所述最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为所述围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，具体用于：
根据所述围岩所受最大应力和所述围岩峰值应变，确定所述围岩所受最大应力对应的岩体能量；
根据所述岩体等效抗压强度和所述围岩峰值应变，确定所述围岩对应的岩体单轴破坏所需能量；
将所述围岩所受最大应力对应的岩体能量与所述岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为所述围岩的岩爆能量。
作为一种可选的实施方式，所述主控装置，还用于：
如果所述岩爆能量小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆；
如果所述岩爆能量大于第一预设阈值，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轻微岩爆；
如果所述岩爆能量大于第二预设阈值，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；
如果所述岩爆能量大于第三预设阈值，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强烈岩爆。
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。
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能量原位测试与评价方法，本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
在采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试的情况下，计算机设备获取智能钻机的随钻参数，并根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度。然后，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。最后，计算机设备根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。本申请可以在现场通过钻进过程中的随钻参数计算得到岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度，及时准确地确定围岩的岩爆能量，从而更加快捷地为围岩的岩爆控制设计提供依据，保证施工安全，提高施工效率。
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能量原位测试与评价方法的技术路线图；
图2为本申请实施例提供的一种岩爆能量原位测试与评价方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的一种围岩的莫尔-库伦强度准则的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种确定围岩的岩爆类型的方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种岩爆能量计算模型的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种岩爆能量原位测试与评价系统的结构示意图；
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能量原位测试与评价方法，可以应用于煤矿开采中巷道或硐室开挖及掘进的施工与支护设计过程。图1为本申请实施例提供一种岩爆能量原位测试与评价方法的技术路线图，如图1所示，具体处理过程如下：
通过超前钻进岩爆评价系统对围岩进行数字钻进原位测试和围岩地应力测试；
通过对围岩进行数字钻进原位测试，获取围岩钻进过程中的随钻参数，随钻参数包括钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力；
根据钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力，确定围岩的岩体等效抗拉强度和岩体等效抗压强度；
根据岩体等效抗拉强度和岩体等效抗压强度，确定围岩的岩体莫尔-库伦强度包络线；
根据莫尔-库伦岩石强度准则，确定围岩的岩爆应力路径和岩爆类型；
根据围岩的岩爆应力路径和岩爆类型，确定岩爆发生机制；
通过对围岩进行围岩地应力测试，获取原岩应力参数，测试方法可以为水压致裂法、应力解除法或声发射法；
根据莫尔-库伦强度包络线和原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；
根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量；
根据岩爆能量进行围岩的岩爆等级评价，岩爆等级包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆；
通过岩爆发生机制和岩爆等级评价为围岩的岩爆控制设计提供依据。
下面将结合具体实施方式，对本申请实施例提供的一种岩爆能量原位测试与评价方法进行详细的说明，图2为本申请实施例提供的一种岩爆能量原位测试与评价方法的流程图，如图2所示，具体步骤如下：
步骤201，采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，获取智能钻机的随钻参数。
在实施中，为了保证施工安全，通常需要伴随矿井巷道的开挖掘进对巷道围岩进行支护，以降低岩爆等岩体动力灾害的发生风险。并且，越快进行围岩支护，对于巷道内部的施工安全就越有利。因此，本申请采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，计算机设备实时原位获取智能钻机在钻进过程中的随钻参数，从而能够更快捷地计算出围岩支护设计所需的参数。其中，随钻参数可以包括智能钻机在钻进过程中的钻进速度、钻头转速、钻进扭矩和钻进压力。
作为一种可选的实施方式，智能钻机包括钻机主体、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等组成部件，能够对钻进过程中的钻头转速、钻进压力、钻进扭矩、钻进速度等随钻参数进行实时监测，并将监测到的随钻数据实时上传到计算机设备进行运算，实现实时随钻原位获取围岩力学参数。
作为一种可选的实施方式，在对围岩进行数字钻进测试的过程中，智能钻机的钻头采用数字解析钻头。其中，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，形成数字解析钻头的钻头切削刃，方形复合片与岩石呈线性接触受力状态，用于进行岩体切削过程的力学解析。优选的，数字解析钻头采用实心解析钻头，以提高数字钻进测试的效率。
作为一种可选的实施方式，计算机设备根据随钻参数，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。
步骤202，根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度。
在实施中，计算机设备根据现场原位测试得到的随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度。其中，钻头参数为获取随钻参数所使用的钻头的基础参数，拟合系数可以通过前期试验中的模型线性拟合得到，并存储于计算机设备中。需要说明的是，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，抗拉强度为岩石试件在拉应力作用下破坏时，与拉力垂直的断面上的平均拉应力。目前常采用室内试验获取岩体的单轴抗压强度和抗拉强度，而本申请中通过钻进过程中的随钻参数可以在现场确定岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度，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，快捷地确定围岩的力学参数，提高施工效率。
作为一种可选的实施方式，获取随钻参数所使用的钻头为数字解析钻头，钻头参数包括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、第一列切削刃长度、第二列切削刃长度和第三列切削刃长度，拟合系数包括第一拟合系数、第二拟合系数、第三拟合系数和第四拟合系数，计算机设备根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度的公式为：
其中，
表示岩体等效抗压强度，/>
表示岩体等效抗拉强度，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，R s 表示钻头半径，L 1表示第一列切削刃长度，L 2表示第二列切削刃长度，L 3表示第三列切削刃长度，a 1表示第一拟合系数，b 1表示第二拟合系数，a 2表示第三拟合系数，b 2表示为第四拟合系数。
步骤203，根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。
在实施中，原岩应力参数可以反映围岩开挖前的原岩应力状态，岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度可以反映围岩在发生破坏时的极限承载能力，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，可以确定巷道发生岩爆时围岩所受最大应力。其中，原岩应力参数为初始状态下岩体在三个相互垂直的方向所受的应力，数值最大的应力为最大主应力，数值居中的应力为中间主应力，数值最小的应力为最小主应力。优选的，原岩应力参数可以通过对围岩进行围岩地应力测试获取，测试方法可以为水压致裂法、应力解除法或声发射法等。
作为一种可选的实施方式，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力的处理过程如下：
步骤一，根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和原岩应力参数，确定围岩的岩爆类型。
在实施中，计算机设备可以根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和原岩应力参数，确定围岩的岩爆类型。其中，计算机设备可以根据岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度确定围岩的莫尔-库伦强度包络线，然后根据围岩的莫尔-库伦强度包络线和原岩应力参数确定围岩的岩爆类型。优选的，岩爆类型包括瞬时岩爆和滞后岩爆：瞬时岩爆是指围岩在卸载或开挖后立即发生的岩爆；滞后岩爆是指围岩在开挖完成一段时间后才发生的岩爆，一般由应力集中或开挖扰动引起。
为了便于理解，图3为本申请实施例提供的一种围岩的莫尔-库伦强度准则的示意图，如图3所示，基于莫尔强度理论，根据岩体抗压强度
（即岩体等效抗压强度）和岩体抗拉强度/>
（即岩体等效抗拉强度）可以确定围岩的莫尔-库伦强度包络线。莫尔-库伦强度包络线上各点的坐标可以反映该围岩达到极限状态（即岩体破坏）时对应的最大主应力/>
和最小主应力/>
的组合，当围岩对应的岩体应力状态处于莫尔-库伦强度包络线以上，表示岩体应力状态超过极限状态，容易发生岩爆，否则表示岩体应力状态较为稳定，不容易发生岩爆。而处于稳定状态的原岩，当进行开挖卸荷后最小主应力/>
会降低至0，此时，如果岩体的应力状态处于莫尔-库伦强度包络线以上，则说明围岩的岩体应力状态超过极限状态，确定围岩的岩爆类型为瞬时岩爆；如果岩体的应力状态处于莫尔-库伦强度包络线以下，则说明围岩的岩体应力状态暂时未超过极限状态，确定围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
因此，如图3所示，根据莫尔-库伦强度包络线和岩体抗压强度
（即岩体等效抗压强度）可以将岩爆潜在发生区域按照分为瞬时岩爆潜在区（I区）和滞后岩爆潜在区（II区），根据围岩的原岩应力参数可以确定围岩的岩爆类型。例如，A点为瞬时岩爆潜在区（I区）内的原岩应力点，在开挖卸荷后，根据其应力路径的演化过程所示最小主应力/>
降低至0，岩体的应力状态处于莫尔-库伦强度包络线以上，确定A点的岩爆类型为瞬时岩爆；B点为滞后岩爆潜在区（II区）内的原岩应力点，在开挖卸荷后，根据其应力路径的演化过程所示最小主应力/>
降低至0，岩体的应力状态处于莫尔-库伦强度包络线以下，确定B点的岩爆类型为滞后岩爆。
进一步的，原岩应力参数包括最大主应力和最小主应力，图4为本申请实施例提供的一种确定围岩的岩爆类型的方法的流程图，如图4所示，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和原岩应力参数，确定围岩的岩爆类型的处理过程如下：
步骤401，根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和最小主应力，确定最小主应力对应的最大主应力安全阈值。
在实施中，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和最小主应力，确定最小主应力对应的最大主应力安全阈值的公式为：
其中，
表示最大主应力安全阈值，/>
表示岩体等效抗压强度，/>
表示最小主应力，/>
表示岩体等效抗拉强度。需要说明的是，最小主应力为围岩在初始状态下的最小主应力。
步骤402，如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且大于岩体等效抗压强度，则确定围岩的岩爆类型为瞬时岩爆。
在实施中，如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且大于岩体等效抗压强度，则说明围岩处于瞬时岩爆潜在区，确定围岩的岩爆类型为瞬时岩爆。
步骤403，如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且小于或等于岩体等效抗压强度，则确定围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
在实施中，如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且小于或等于岩体等效抗压强度，则说明围岩处于滞后岩爆潜在区，确定围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
步骤二，根据岩爆类型和原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。
在实施中，由于不同岩爆类型的岩爆发生机制不同，计算机设备根据岩爆类型和原岩应力参数，确定巷道发生岩爆时围岩所受最大应力，更为符合现场实际情况。优选的，岩爆类型包括瞬时岩爆和滞后岩爆。
作为一种可选的实施方式，由于巷道岩爆过程可以通过围岩岩体的应力状态变化进行表示，因此，计算机设备根据岩爆类型和原岩应力参数，确定围岩所受最大应力的处理过程如下：
步骤一，如果岩爆类型为瞬时岩爆，则将最大主应力确定为围岩所受最大应力。
在实施中，如果岩爆类型为瞬时岩爆，则说明围岩在卸载或开挖后立即发生岩爆，计算机设备可以将岩体的最大主应力确定为围岩所受最大应力。
步骤二，如果岩爆类型为滞后岩爆，则将最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为围岩所受最大应力。
在实施中，如果岩爆类型为滞后岩爆，则围岩在卸载或开挖后，由于应力集中或开挖扰动使得围岩所受应力增大并超过极限状态造成岩爆，因此，计算机设备将最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为围岩所受最大应力。优选的，应力集中系数为工程人员对现场地质条件进行调研确定的，并存储至计算机设备中。
步骤204，根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。
在实施中，假定岩爆发生时岩体的极限应变值与单轴破坏时的极限应变值（即围岩峰值应变）相等，计算机设备可以根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩发生岩爆时释放的岩爆能量，为后续围岩的岩爆控制设计提供依据，使工程人员根据岩爆能量有针对性地设计围岩支护方案，有效保证施工安全。其中，围岩峰值应变可以通过对围岩进行单轴压缩试验获取，并存储至计算机设备中，表示单轴抗压强度对应的应变。
优选的，图5为本申请实施例提供的一种岩爆能量计算模型的示意图，如图5所示，根据围岩所受最大应力
、岩体等效抗压强度/>
和预先存储的围岩峰值应变/>
，可以确定当岩爆发生时围岩所受最大应力对应的岩体能量/>
和岩体单轴破坏所需能量
。其中，围岩所受最大应力对应的岩体能量/>
可以等效为原点、/>
和
三点所围三角形的面积；岩体单轴破坏所需能量/>
可以等效为横坐标处于0和围岩峰值应变/>
之间的单轴压缩曲线与x轴所围面积，可以简化为原点、/>
和
三点所围三角形的面积。由于岩爆所释放的能量来自岩爆发生时刻岩体的能量（该能量可以等效为围岩在岩爆时所受最大应力对应的岩体能量/>
），并且岩爆发生时岩体破坏的过程会吸收一定的能量（该能量可以等效为岩体单轴破坏所需能量/>
），因此，可以将围岩所受最大应力对应的岩体能量/>
与岩体单轴破坏所需能量/>
的差值，确定为围岩的岩爆能量∆E。
作为一种可选的实施方式，计算机设备根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量的处理过程如下：
步骤一，根据围岩所受最大应力和围岩峰值应变，确定围岩所受最大应力对应的岩体能量。
在实施中，根据围岩所受最大应力和围岩峰值应变，确定围岩所受最大应力对应的岩体能量的公式为：
其中，
表示围岩所受最大应力对应的岩体能量，/>
表示围岩所受最大应力，/>
表示围岩峰值应变。
步骤二，根据岩体等效抗压强度和围岩峰值应变，确定围岩对应的岩体单轴破坏所需能量。
在实施中，根据岩体等效抗压强度和围岩峰值应变，确定围岩对应的岩体单轴破坏所需能量公式为：
其中，
表示围岩对应的岩体单轴破坏所需能量，/>
表示岩体等效抗压强度，/>
表示围岩峰值应变。
步骤三，将围岩所受最大应力对应的岩体能量与岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为围岩的岩爆能量。
在实施中，计算机设备可以将围岩所受最大应力对应的岩体能量与岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为围岩的岩爆能量。
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，为围岩的岩爆控制设计提供依据，计算机设备的处理过程还包括：
步骤一，如果岩爆能量小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为无岩爆。优选的，第一预设阈值为0kJ/m3。
步骤二，如果岩爆能量大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为轻微岩爆。优选的，第二预设阈值为200kJ/m3。
步骤三，如果岩爆能量大于第二预设阈值，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400kJ/m3。
步骤四，如果岩爆能量大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为强烈岩爆。优选的，第四预设阈值为600kJ/m3。
本申请实施例提供了一种岩爆能量原位测试与评价方法，在采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试的情况下，计算机设备获取智能钻机的随钻参数，并根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度。然后，计算机设备根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。最后，计算机设备根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。本申请可以在现场通过钻进过程中的随钻参数计算得到岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度，及时准确地确定围岩的岩爆能量，从而更加快捷地为围岩的岩爆控制设计提供依据，保证施工安全，提高施工效率。
应该理解的是，虽然图1、图2和图4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、图2和图4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能量原位测试与评价系统，如图6所示，该系统包括：
智能钻机610，用于对围岩执行数字钻进测试，并采集钻进过程中的随钻参数；
主控装置620，用于获取智能钻机610的随钻参数，根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度；
主控装置620，还用于根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；
主控装置620，还用于根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。
作为一种可选的实施方式，智能钻机包括数字解析钻头、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，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数字钻进测试的过程中的钻头转速、钻进压力、钻进扭矩和钻进速度。
作为一种可选的实施方式，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，形成数字解析钻头的钻头切削刃，方形复合片与岩石呈线性接触受力状态，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，该主控装置，具体用于：
根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和原岩应力参数，确定围岩的岩爆类型；
根据岩爆类型和原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，原岩应力参数包括最大主应力和最小主应力，该主控装置，具体用于：
根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和最小主应力，确定最小主应力对应的最大主应力安全阈值；
如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且大于岩体等效抗压强度，则确定围岩的岩爆类型为瞬时岩爆；
如果最大主应力小于最大主应力安全阈值，且小于或等于岩体等效抗压强度，则确定围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
作为一种可选的实施方式，原岩应力参数包括最大主应力，该主控装置，具体用于：
如果岩爆类型为瞬时岩爆，则将最大主应力确定为围岩所受最大应力；
如果岩爆类型为滞后岩爆，则将最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为围岩所受最大应力。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，具体用于：
根据围岩所受最大应力和围岩峰值应变，确定围岩所受最大应力对应的岩体能量；
根据岩体等效抗压强度和围岩峰值应变，确定围岩对应的岩体单轴破坏所需能量；
将围岩所受最大应力对应的岩体能量与岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为围岩的岩爆能量。
作为一种可选的实施方式，该主控装置，还用于：
如果岩爆能量小于或等于第一预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为无岩爆；
如果岩爆能量大于第一预设阈值，且小于或等于第二预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为轻微岩爆；
如果岩爆能量大于第二预设阈值，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；
如果岩爆能量大于第三预设阈值，且小于或等于第四预设阈值，则确定围岩的岩爆等级为强烈岩爆。
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。
本申请实施例提供了一种岩爆能量原位测试与评价系统，采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，主控装置获取智能钻机的随钻参数，并根据随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度。然后，主控装置根据岩体等效抗压强度、岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力。最后，主控装置根据围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定围岩的岩爆能量。本申请可以在现场通过钻进过程中的随钻参数计算得到岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度，及时准确地确定围岩的岩爆能量，从而更加快捷地为围岩的岩爆控制设计提供依据，保证施工安全，提高施工效率。
关于岩爆能量原位测试与评价系统的具体限定可以参见上文中对于岩爆能量原位测试与评价方法的限定，在此不再赘述。上述岩爆能量原位测试与评价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能量原位测试与评价的方法步骤。
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能量原位测试与评价的方法的步骤。
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 (9)
1.一种岩爆能量原位测试与评价方法，其特征在于，所述方法包括：
采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，获取所述智能钻机的随钻参数；
根据所述随钻参数、预先存储的钻头参数和拟合系数，确定所述围岩的岩体等效抗压强度和岩体等效抗拉强度；
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力；
根据所述围岩所受最大应力、所述岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定所述围岩的岩爆能量；
根据所述围岩所受最大应力、所述岩体等效抗压强度和预先存储的围岩峰值应变，确定所述围岩的岩爆能量，包括：根据所述围岩所受最大应力和所述围岩峰值应变，确定所述围岩所受最大应力对应的岩体能量；根据所述岩体等效抗压强度和所述围岩峰值应变，确定所述围岩对应的岩体单轴破坏所需能量；将所述围岩所受最大应力对应的岩体能量与所述岩体单轴破坏所需能量的差值，确定为所述围岩的岩爆能量。
2.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、所述岩体等效抗拉强度和预先存储的原岩应力参数，确定围岩所受最大应力，包括：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述原岩应力参数，确定所述围岩的岩爆类型；
根据所述岩爆类型和所述原岩应力参数，确定所述围岩所受最大应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原岩应力参数包括最大主应力和最小主应力，根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述原岩应力参数，确定所述围岩的岩爆类型，包括：
根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述最小主应力，确定所述最小主应力对应的最大主应力安全阈值；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且大于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为瞬时岩爆；
如果所述最大主应力小于所述最大主应力安全阈值，且小于或等于所述岩体等效抗压强度，则确定所述围岩的岩爆类型为滞后岩爆。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述岩体等效抗压强度、所述岩体等效抗拉强度和所述最小主应力，确定所述最小主应力对应的最大主应力安全阈值的公式为：
其中，σ 1max表示最大主应力安全阈值，σ ceq 表示岩体等效抗压强度，σ 3表示最小主应力，σ teq 表示岩体等效抗拉强度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原岩应力参数包括最大主应力，根据所述岩爆类型和所述原岩应力参数，确定所述围岩所受最大应力，包括：
如果所述岩爆类型为瞬时岩爆，则将所述最大主应力确定为所述围岩所受最大应力；
如果所述岩爆类型为滞后岩爆，则将所述最大主应力与预先存储的应力集中系数的乘积确定为所述围岩所受最大应力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述围岩所受最大应力和所述围岩峰值应变，确定所述围岩所受最大应力对应的岩体能量的公式为：
其中，E(σ 1c)表示围岩所受最大应力对应的岩体能量，σ 1c表示围岩所受最大应力，ε c 表示围岩峰值应变。
7.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围岩峰值应变，确定所述围岩对应的岩体单轴破坏所需能量公式为：
其中，E(σ c )表示围岩对应的岩体单轴破坏所需能量，σ ceq 表示岩体等效抗压强度，ε c 表示围岩峰值应变。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果所述岩爆能量小于或等于第一预设阈值，则确定所述围岩的岩爆等级为无岩爆；
如果所述岩爆能量大于第一预设阈值，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轻微岩爆；
如果所述岩爆能量大于第二预设阈值，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；
如果所述岩爆能量大于第三预设阈值，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强烈岩爆。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能钻机采用数字解析钻头，所述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，形成所述数字解析钻头的钻头切削刃。
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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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