CN116224464A - 一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，包括如下步骤：布置监测孔的点位，安装在线测氡仪；在地应力未导致岩石破裂前，测氡仪监测稳态条件下的原有岩石裂隙中的自由氡浓度，统计分析后作为本底值；岩体受到外界应力作用后，一旦岩石破裂产生裂隙或孔隙，密封氡逸出成为自由氡，导致监测点氡气浓度的微弱变化；测氡仪捕获信号并在此时刻输出氡气浓度变化曲线，观测分析曲线突然陡增或长时间连续异常的规律，判断岩体是否出现破裂失稳的征兆；设置阈值进行提示预警；根据曲线及预警情况，结合地下工程的现场观测现象，分析监测点附近的岩体状态，实现对预设区域围岩的动力灾害预测，适用于地下工程现场长期稳定性在线监测。

Description

一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法

技术领域

本发明涉及地下工程稳定性安全检测技术领域，特别涉及一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法。

背景技术

目前，地下工程建设不断朝“深埋深、长洞线、高应力”方向发展，越来越多地下工程的赋存地质环境极端复杂，高地应力、高地温、高水压力等问题突出，发生突发性地质灾害的风险极大且很难被预测，对施工和运行安全造成巨大威胁，深部地下工程变形破坏问题备受关注，岩石脆性破坏及其临界信息的快速识别已成为一个研究热点与难点。

深部岩体开挖后在岩体内部产生一临空面，初始地应力突然释放，应力将在围岩内重新分布，重新分布的结果即是岩体应力的卸荷，在卸荷应力的作用下，将导致岩体内剪应力增大集中，且随着卸荷的持续进行，岩体将发生卸荷破裂。同时，处于深部的工程岩体在高地应力、高地温、高渗压和施工扰动等共同作用下，围岩容易处于软岩大变形和强流变工作状态，遏制了支护效果。深部工程动力灾害日益严重，多重因素共同影响，容易破坏隧洞衬砌支撑结构，引发塌方及次生地质灾害。而解决该问题的有效途径之一为及时预测动力灾害，对岩石的动力灾害准确预测已极为迫切，对保障地下空间的施工和运行安全，有效防范和遏制重特大安全事故具有十分重大的意义。

现有地下工程岩石内部状态及力学特征的监测手段包括：微震、声发射、电磁辐射、波速、电位信号、钻孔摄像、钻孔应力监测等。针对不同的现场条件和需求，有各自的应用场合，主要不足点如下：钻孔法观测面很窄且破损原岩，微震、电磁辐射法等受施工振动和现场用电设备干扰影响，微震、声发射、波速、电位信号测量复杂和数据处理较专业，大多方法由于难以布置、功能不允许、仪器价格贵等原因，难以实现在线长久观测。

铀系、钍系和锕系三个天然放射性系列元素在自然界岩石中广泛存在，氡是它们衰变子体，是自然界唯一的天热放射性惰性气体，氡的分布较为广泛，岩浆岩酸性越强氡含量越高，沉积岩的含量变化范围较大。氡气具有扩散迁移能力，在岩石中存在自由氡和束缚氡。岩石自身孔隙率较低，影响氡原子从矿物内逃离以及自由氡从介质内扩散到环境中，使得氡析出受到阻碍，而岩石在加载破坏过程中岩石的裂隙和表面积大量增加，在裂隙附近产生很多密集的微裂隙，岩石或矿物内部连通的微裂隙网络使得岩石孔隙率和渗透性都有所提高，伴随着岩石矿物中晶格的错动，使得束缚氡(吸附和部分封闭)被释放出来，加之随着深部岩体温度和压力的增加，最终导致氡射气脉冲增加。

现有测氡技术与系统分为瞬时法与累积法，瞬时法一般做空气和土壤的单点瞬时测量，需要人为操作以及用吸湿剂降低空气湿度，因此不适合长期多点监测；累积法工作效率高，但都需要人工采样和分析，过程繁琐。因此现有氡及其子体测量技术用于工业和科研，方法操作复杂，价格贵且体积大，不适合安装在地下工程现场长期在线监测。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种更加适合安装在地下工程现场长期在线监测岩体中氡及其子体的方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，包括如下步骤：

S1，在地下工程围岩软弱区或破碎危险区，布置监测孔的点位，安装测氡仪；

S2，在地应力未导致岩石破裂前，测氡仪监测稳态条件下的原有岩石裂隙中的自由氡浓度，统计求平均值后记为本底值R_n0；

S3，岩体受到外界应力作用后，一旦岩石破裂产生裂隙或孔隙，密封氡逸出成为自由氡，导致时刻t监测点氡气浓度的微弱变化，记为R_nt；

S4，测氡仪在时刻t输出氡气浓度变化曲线y＝(k_n0·R_n0+k_nt·R_nt)，观测分析曲线突然陡增或长时间连续异常的规律，判断岩体是否出现破裂失稳的征兆；其k_n0为本底值修正系数，k_nt为时刻t的测量值修正系数；

设置阈值进行提示预警；

S5，根据曲线及预警情况，结合地下工程的现场观测现象，分析监测点附件岩体状态，实现对预设区域围岩的动力灾害预测。

进一步地，监测孔布置时监测孔直径M_s大于管路外径，监测孔深度M_d取决于待监测岩层厚度，监测孔倾斜角M_a取决于岩层倾角和工程需求。

进一步地，在成孔过程中，若孔内出现涌水或泥浆现象，则取消布置该监测点；成孔后清洗孔，使残留在孔内部的残渣被清理出来。

进一步地，所述测氡仪为电离室探测器，所述电离室探测器包括探测器腔体，所述探测器腔体内设置有脉冲信号收集极与脉冲电离室电压极，所述脉冲电离室电压极施加高压，在探测器腔体内部形成电场，所述探测器腔体设置有进气口，所述进气口与抽气管连通，所述抽气管设置有微型抽气泵以及过滤过滤器，所述抽气管用于抽取周围岩体释放出的氡气。

进一步地，所述抽气管包括抽气软管与抽气硬管；

所述抽气软管的第一端与所述进气口连通，所述抽气软管的第二端与所述抽气硬管连通；

所述抽气硬管的第一端与所述抽气管软连通，所述抽气硬管的第二端沿轴向开设有多个进气孔，所述抽气硬管的第二端插入岩壁孔内。

进一步地，所述测氡仪还能够监测所述探测器腔体内的湿度、温度、气压参数，以综合计算最终的岩石氡气含量的变化；

根据如下公式，计算氡气浓度：

式中：R_n为岩石中的氡浓度，P为岩石孔隙度，q为岩石中镭的含量，ρ为岩石密度，k为相关系数，

k＝f(H,T,Ap,A,Gp,t)

其中，相关系数k与岩石温度T、裂缝表面积A、地压Gp成正比，与气压Ap、湿度H成反比，与岩体受载过程的时间t相关。

进一步地，岩石孔隙度P通过下式计算：

P＝P₀–A(Gp)ⁿ

其中P₀为正常状态下岩石孔隙度，A和n为实验常数。

进一步地，所述阈值的设置中，首先给定一个初始阈值T₁，再结合对现场岩体破裂观测情况逐步修正，最终形成合理的报警阈值T₂；

其中，T2通过如下公式计算：

由现场岩体破裂观测的X个总体样本数据形成分布f(x)，则目标为：

其中，f_i(x)为预设岩体破裂数据，g_i为实际岩体的破裂数据分布，T为调整因子，由上式生成对应的迭代公式为：

根据上式的迭代结果，形成合理的报警阈值T₂为：

计算异常警告系数C，若异常警告系数C超过阈值T₂，则发出单台所述测氡仪预警提示，告知该台所述测氡仪监测范围内氡气异常；

C＝J·(R_nt-R_n0)

其中J为测氡仪修正系数；

设置区域危险岩体总异常警告系数C_Z，当多台仪器都出现氡析出值异常，总异常警告系数C_Z超过设定阈值，则此时刻t自动发出预警提示；

C_z＝J₁·(R_n1-R_n10)+J₂·(R_n2-R_n20)+......+J_N·(R_nN-R_nN0)

其中：J₁为测氡仪修正系数，J₂为测氡仪2修正系数，J_N为测氡仪N修正系数，R_n1为为测氡仪1孔内异常氡值，R_n10测氡仪1孔内的氡本底值，R_n2为为测氡仪2孔内异常氡值，R_n20测氡仪2孔内的氡本底值，R_nN为为测氡仪N孔内异常氡值，R_nN0测氡仪N孔内的氡本底值。

进一步地，所述测氡仪采用远端在线测控，将测得的氡浓度值与本底值进行对比，并分析研究规律。

进一步地，所述测氡仪采用近端测控，所述测氡仪上设置蓝牙模块，手机安装监控软件后现场近距离对各个所述测氡仪进行参数设置和读取数据。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，具有安装施工简单的优势，只需常规的钻孔安装固定，不要做特殊处理；测量受外界干扰影响较小，基本不受电磁干扰、电位差等影响；相比钻孔应力监测等方法，测量区域较大，可监测钻孔周围一定范围的岩体稳定性；相比于微震等方法，成图曲线直观明了，不要复杂的数据处理分析，无需专门技术员做繁琐的数据分析；钻孔摄像等方法的瞬态测量，如要开展长期监测必须人为操作，本方法可于现场长期监测地下工程岩体破裂所致弱水平氡浓度的变化；

本方法能够进行多维快速围岩脆性破裂及其临界信息识别，可监测地温、湿度、气压等多种环境影响因素，综合测定，修正对微弱氡气浓度的影响，从而实现准确测量；可实现矩阵式多点组网布置监点，灵活多角度监测岩体的深度和面积，相互验证提高监测准确性；监测设备可实现无线和有线组网管控，远程或近距离长期监测地下工程道软岩层、破裂带、构造区的脆性破裂及其临界信息，达到及时快速侦测预警岩体动力灾害；

本方法所采用的测氡仪为电离室探测器，相比常规的半导体等探测器而言，具有较好耐潮湿、本底污染小和灵敏度高的优点，且组成整个测量系统结构简单，成本较低，具有更好的现场适用性；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明中监测孔的点位布置以及测氡仪安装示意图；

图3为本发明中测氡仪结构示意图；

图4为本发明实施例中监测的围岩某处孔内氡气变化曲线。

【附图标记说明】

1、测氡仪；2、洞身支护与衬砌；3、氡逸出通道；4、抽气软管；5、抽气硬管；6、进气口；7、脉冲信号收集极；8、脉冲电离室电压极；9、探测器腔体；10、微型抽气泵；11、α射线；12、过滤器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本发明涉及深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法。其中，铀系、钍系和锕系三个天然放射性系列元素在自然界岩石中广泛存在，母体元素的半衰期都很长，氡是它们衰变子体，分别为²²²Rn、²²⁰Rn和²¹⁹Rn，锕系总是与铀系共生的，但锕系中的母体核素²³⁵U量很少，一般情况下，²¹⁹Rn对测量的影响可不予考虑。氡在正常情况下状态稳定不与任何元素发生反应，在自然界岩石中也广泛存在，但不同岩性的岩石氡含量差异明显，岩浆岩酸性越强氡含量越高，沉积岩的含量变化范围较大，由于湿度、地温、地压、气温、气压、地下水含量、地质构造等因素的影响，即便同一地区的岩石中氡的含量也有较大差别。氡具有逸散性，岩石中氡溢出率随着岩石内部孔隙度和表面积系数增加而增加，氡气揭示岩爆坍方、软岩变形和整体失稳等动力灾害的氡异常机理和前兆特征的机理。

氡气的及其子体衰变会释放α射线11，衰变过程主要释放α射线11的核素，铀系如式(1)所示，钍系如式(2)所示，实际应用中进行氡气测量，主要是对氡及其以后α衰变子体产生的α粒子进行测量。

基于此，本发明提供的深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法包括如下步骤：

S1，布置监测孔点位，安装测氡仪1。

在本实施例中，在地下工程围岩软弱区或破碎危险区，选择布置监测孔的点位，孔位采用空气钻等方式按一定间距布置，也可在工程锚索杆孔位内预埋抽气管作为监测点，在重点监测区加密监测。如图2所示，在洞身支护与衬砌2位置布置监测孔点位并安装测氡仪1，氡逸出通道3已经在图中示意标注。

其中，监测孔布置主要考虑三个问题，监测孔直径M_s、监测孔深度M_d和监测孔倾斜角M_a，监测孔直径M_s略大于管路，监测孔深度M_d取决于待监测岩层厚度，监测孔倾斜角M_a取决于岩层倾角和工程的需求。在成孔过程中，若孔内出现涌水或泥浆现象，则取消布置该监测点。成孔后清洗孔洞，用空气压缩机风管清洗，使残留在孔内部的残渣清理出。

抽气管包括抽气软管4与抽气硬管5，有多个进气孔的一段插入岩壁孔内，另外一段外露与测氡仪1连接，测氡仪1的进气口6面向孔位后固定在洞身支护与衬砌2上，用抽气软管4连接好抽气硬管5。在抽气硬管5外露端用密封胶圈或发泡胶或水泥或其它材料封口，严密堵实，以防外部空气进入。

基于岩体卸荷破裂范围往往较大，启动监测后，监测点位所测得的异常值相互验证。由于抽气硬管5本身自带多个进气孔，即便监测孔某段可能堵塞，也能保证有效抽取到周围岩体释放出的氡气。

在本实施例中，测氡仪1采用电离室探测器的形式，通过电离室探测器进行α射线11测量。电离式探测器的结构如图3所示，由脉冲信号收集极7与脉冲电离室电压极8构成电场环境，脉冲电离室电压极8施加高压，在探测器腔体9内部形成电场。空气在微型抽气泵10的作用下，经过过滤器12滤掉较大颗粒粉尘后，进入探测器腔体9内，氡及其子体衰变产生的α射线11，在探测器腔体9内部移动时，由于与气体分子的电离碰撞而逐步损失能量，最后被阻止下来，碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的路径上生成大量的电子离子对。电子离子在电场作用下分别向不同方向漂流，由于静电感应，脉冲信号收集极将感生电荷，并且随电子离子对的漂移而变化。于是在输出电路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的电子离子对数，电子离子对数取决于氡气的浓度，因此根据电流大小判断氡气浓度。

需要说明的是，实际应用时微型抽气泵10以“时”或“天”的时间单位间隔启动，每次抽气的时间以“分钟”为单位。自由氡通过抽气管(抽气硬管5+抽气软管4)从岩石钻孔内收集，首先经过过滤器12滤除较大粉尘颗粒后，进入探测器腔体9内进行测量。

在本实施例中，测氡仪1除了测量氡气浓度外，还监测探测器腔体9内的湿度、温度、气压等参数，以综合计算最终的岩石氡气含量的变化。

根据如下公式，计算氡气浓度：

式中：R_n为岩石中的氡气浓度，P为岩石孔隙度，q为岩石中镭的含量，ρ为岩石密度，k为相关系数(与地温、湿度、地压、气压等因素有关)，

k＝f(H,T,Ap,A,Gp,t) (4)

其中相关系数k与岩石温度T、裂缝表面积A、地压Gp成正比，与气压Ap、湿度H等参数成反比，另外还与岩体受载过程的时间t有一定关系，一般在岩体破裂前期，由于地应力加大导致原裂缝中的氡气被大量挤出，氡析出异常增加，随着地应力的持续增加，裂缝被压实而变少，如式(5)和式(6)可得出，氡析出量会有阶段性小幅下降。

P＝P₀–A(Gp)ⁿ (5)

R_nt＝(R_nt0·μ)·P (6)

其中P₀为正常状态下岩石孔隙度，A和n为实验常数，R_nt为某时刻岩石孔隙中自由氡浓度，R_nt0为岩石产生的总氡浓度，μ为岩石孔隙中自由氡浓度与岩石产生的总氡浓度之比。可以理解的是，R_nt用于说明岩石自由氡浓度会受到岩石孔隙度的影响，即R_nt∝P。

当岩体发生变形破裂后，出现的裂纹导致束缚氡在压力作用下逸出，氡析出将扩大。当地应力进一步扩大，伴随的宏观破裂面的出现，岩体裂缝表面积大幅度增加，氡析出更明显。岩体破裂变形稳定后，氡异常趋于稳定状态，相关系数k也呈现周期性有规律变化，此时呈现出来的岩石氡气浓度异常曲线也会随k周期性变化，此变化是外界因素影响所致，而不是真正的岩石破裂位移所致，在识别曲线异常时应注意。

S2，在地应力未导致岩石破裂前，测氡仪1监测稳态条件下的原有岩石裂隙中的自由氡浓度，记为本底值R_n0。

S3，在岩体受到外界应力作用后，一旦岩石破裂产生裂隙或孔隙，密封氡逸出成为自由氡，导致监某时刻测点氡气浓度的微弱变化，记为R_nt。

根据式(4)～式(6)，可大体得出某时段的相关系数k，再根据式(3)，基于岩石中镭的含量q基本稳定，可定性判得出岩石孔隙度P的变化趋势。

S4，测氡仪1测量时在某时刻输出氡气变化曲线y＝(k_n0·R_n0+k_nt·R_nt)，其中k_n0为本底值修正系数，k_nt为某时刻的测量值修正系数，根据形成的氡气浓度曲线直观地呈现异常情况，如果曲线突然陡增或几天长时间连续异常，如浓度上升幅度超过最高值50％，则可预警岩体可能出现破裂失稳的征兆，提醒及时到现场观测和预判灾害。

同时，还可以设置预警阈值，如果超过事先设定的阈值，则可进行提示预警。

需要说明的是，实际设置时可以首先给定一个初始值，再结合对现场岩体破裂观测情况逐步修正，最终形成较合理的报警阈值。

本实施例中拟采用多点在线监测系统，将多台测氡仪1根据监测点分布情况，按一定间隔阵列式分布，对地下工程内不稳定岩层区域进行动力氡浓度实时监测，多角度监测不稳定岩体状态。如果某台仪器所测值，按式(7)求得异常警告系数C超过设定阈值，则发出单台仪器预警提示，告知用户某台仪器监测范围内氡气异常。

C＝J·(R_n-R_n0) (7)

其中J为测氡仪修正系数，R_n为当前岩石中的氡浓度，R_n0为孔内原有氡气本底值。

通过式(8)求得区域危险岩体总异常警告系数C_Z，当多台仪器都出现氡析出值异常，超过设定阈值，则自动发出预警提示。

C_z＝J₁·(R_n1-R_n10)+J₂·(R_n2-R_n20)+......+J_N·(R_nN-R_nN0) (8)

其中：J₁为测氡仪(1)修正系数，J₂为测氡仪(2)修正系数，J_N为测氡仪(N)修正系数，R_n1为为测氡仪(1)孔内异常氡值，R_n10测氡仪(1)孔内的氡本底值，R_n2为为测氡仪(2)孔内异常氡值，R_n20测氡仪(2)孔内的氡本底值，R_nN为为测氡仪(N)孔内异常氡值，R_nN0测氡仪(N)孔内的氡本底值。

S5，观测曲线及根据预警值，结合地下工程的观测现象，多因素综合分析监测点附件岩体状态，实现对特定区域围岩的动力灾害预测。

观测现象如喷射混凝土产生纵横裂纹和龟裂等；围岩岩层层理、节理裂缝逐渐变大和张开；岩壁出现渗水和滴水突变加剧或变浑，滴水位置游移不定；工程侧壁或顶部不断掉块和砂石，以及无故尘土飞扬；无故出现闷雷声或噼啪破裂响声等异常现象。

需要说明的是，本实施例中可采用两种方式进行测控：远端在线测控，通过工程专用的光纤网、RS-485集线器和上位机或云端通信，终端将用图表表示多点监测数据，将测得的氡浓度值与本底值进行对比，并分析研究规律，进而预测深部地下工程岩体破裂变形动力灾害；近端测控，测氡仪上设置蓝牙模块，手机安装监控软件后现场与现场近距离点对点参数设置和读取数据，实时了解现场岩体氡气析出量，了解岩体变形动力灾害。

案例说明：如图4所示，采用本实施例提供的方案进行监测，假如监测以“时”为时间单位间隔启动。

1)在21时以前，岩石氡气浓度曲线呈现周期性波动，推断受到气压、湿度等环境因素影响，属于正常现象。

2)在21时后，曲线持续下走，推断主要是由于岩体在压力的作用下内部孔隙度变小，岩石氡析出通道的截面变小，不足以驱使氡析出，最终导致氡浓度的回落。

3)然后在25时后曲线突然陡增或几天长时间连续异常，推断主要是岩体进入塑性变形阶段，岩体损伤水平较高，产生的裂纹逐渐张开扩提高，并形成较多的次生裂纹，后续发生宏观的岩体破裂，为氡气的运移提供了诸多的连续的通道，大大增加了岩体氡放射面积，导致了氡气浓度较大幅度提升；浓度上升幅度超过平常最高值50％，则可预警岩体可能出现破裂失稳的征兆，提醒及时到现场观测和预判灾害。

4)当氡气上升到一定浓度并维持一段时间后有小幅度下降，推断是因为岩体发生破坏后，原岩石密封氡逐步释放，导致测氡值降低，现有的较高浓度主要源自增大后的岩体裂缝表面中的镭持续衰变而来。当然，曲线也有可能发生较大幅度回落，可能是出现较大的裂缝，导致与地下工程外界空间贯通，监测孔的氡气被地下流体所搬移走而浓度降低。

综上所述，本实施例提供了一种简单易行又快速可靠的深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，具有安装施工简单的优势，只需常规的钻孔安装固定，不要做特殊处理；测量受外界干扰影响较小，基本不受电磁干扰、电位差等影响；相比钻孔应力监测等方法，测量区域较大，可监测钻孔周围一定范围的岩体稳定性；相比于微震等方法，成图曲线直观明了，不要复杂的数据处理分析，无需专门技术员做繁琐的数据分析；相比于钻孔摄像等方法的瞬态测量，如要开展长期监测必须人为操作，本申请可于现场长期监测地下工程岩体破裂所致弱水平氡浓度的变化。

本申请可作为现有测量方法的良好补充，与其他测量方法结合，可多角度监测地下工程岩体稳定性。

本申请提供的方法能够进行多维快速围岩脆性破裂及其临界信息识别，可监测地温、湿度、气压等多种环境影响因素，综合测定，修正对微弱氡气浓度的影响，从而实现准确测量；可实现矩阵式多点组网布置监点，灵活多角度监测岩体的深度和面积，相互验证提高监测准确性；监测设备可实现无线和有线组网管控，远程或近距离长期监测地下工程道软岩层、破裂带、构造区的脆性破裂及其临界信息，达到及时快速侦测预警岩体动力灾害。

现有测氡技术与仪器系统一般需要人为协助，如瞬时法的参数设置、干燥剂的更换，活性炭法取样前及取样后的处理等，难以真正实现长期在线监测，且一般用于工业和科研，方法操作复杂，设备价格贵且体积大，不适合直接在地下工程现场监测岩体动力灾害。而本实施例所采用的测氡仪为电离室探测器，相比常规的半导体等探测器而言，具有较好耐潮湿、本底污染小和灵敏度高的优点，且组成整个测量系统结构简单，成本较低，具有更好的现场适用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在地下工程围岩软弱区或破碎危险区，布置监测孔的点位，安装测氡仪；

S2，在地应力未导致岩石破裂前，测氡仪监测稳态条件下的原有岩石裂隙中的自由氡浓度，统计求平均值后记为本底值R_n0；

S3，岩体受到外界应力作用后，一旦岩石破裂产生裂隙或孔隙，密封氡逸出成为自由氡，导致时刻t监测点氡气浓度的微弱变化，记为R_nt；

S4，测氡仪在时刻t输出氡气浓度变化曲线y＝(k_n0·R_n0+k_nt·R_nt)，观测分析曲线突然陡增或长时间连续异常的规律，判断岩体是否出现破裂失稳的征兆；其k_n0为本底值修正系数，k_nt为时刻t的测量值修正系数；

设置阈值进行提示预警；

S5，根据曲线及预警情况，结合地下工程的现场观测现象，分析监测点附件岩体状态，实现对预设区域围岩的动力灾害预测。

2.根据权利要求1所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，监测孔布置时监测孔直径M_s大于管路外径，监测孔深度M_d取决于待监测岩层厚度，监测孔倾斜角M_a取决于岩层倾角和工程需求。

3.根据权利要求1所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，在成孔过程中，若孔内出现涌水或泥浆现象，则取消布置该监测点；成孔后清洗孔，使残留在孔内部的残渣被清理出来。

4.根据权利要求1所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述测氡仪为电离室探测器，所述电离室探测器包括探测器腔体，所述探测器腔体内设置有脉冲信号收集极与脉冲电离室电压极，所述脉冲电离室电压极施加高压，在探测器腔体内部形成电场，所述探测器腔体设置有进气口，所述进气口与抽气管连通，所述抽气管设置有微型抽气泵以及过滤过滤器，所述抽气管用于抽取周围岩体释放出的氡气。

5.根据权利要求4所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述抽气管包括抽气软管与抽气硬管；

所述抽气软管的第一端与所述进气口连通，所述抽气软管的第二端与所述抽气硬管连通；

所述抽气硬管的第一端与所述抽气管软连通，所述抽气硬管的第二端沿轴向开设有多个进气孔，所述抽气硬管的第二端插入岩壁孔内。

6.根据权利要求4所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述测氡仪还能够监测所述探测器腔体内的湿度、温度、气压参数，以综合计算最终的岩石氡气含量的变化；

根据如下公式，计算氡气浓度：

式中：R_n为岩石中的氡浓度，P为岩石孔隙度，q为岩石中镭的含量，ρ为岩石密度，k为相关系数，

k＝f(H,T,Ap,A,Gp,t)

其中，相关系数k与岩石温度T、裂缝表面积A、地压Gp成正比，与气压Ap、湿度H成反比，与岩体受载过程的时间t相关。

7.根据权利要求6所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，岩石孔隙度P通过下式计算：

P＝P₀–A(Gp)ⁿ

其中P₀为正常状态下岩石孔隙度，A和n为实验常数。

8.根据权利要求6所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述阈值的设置中，首先给定一个初始阈值T₁，再结合对现场岩体破裂观测情况逐步修正，最终形成合理的报警阈值T₂；

其中，T₂通过如下公式计算：

由现场岩体破裂观测的X个总体样本数据形成分布f(x)，则目标为：

其中，f_i(x)为预设岩体破裂数据，g_i为实际岩体的破裂数据分布，T为调整因子，由上式生成对应的迭代公式为：

根据上式的迭代结果，形成合理的报警阈值T₂为：

计算异常警告系数C，若异常警告系数C超过阈值T₂，则发出单台所述测氡仪预警提示，告知该台所述测氡仪监测范围内氡气异常；

C＝J·(R_nt-R_n0)

其中J为测氡仪修正系数；

设置区域危险岩体总异常警告系数C_Z，当多台仪器都出现氡析出值异常，总异常警告系数C_Z超过设定阈值，则此时刻t自动发出预警提示；

C_z＝J₁·(R_n1-R_n10)+J₂·(R_n2-R_n20)+......+J_N·(R_nN-R_nN0)

其中：J₁为测氡仪修正系数，J₂为测氡仪2修正系数，J_N为测氡仪N修正系数，R_n1为为测氡仪1孔内异常氡值，R_n10测氡仪1孔内的氡本底值，R_n2为为测氡仪2孔内异常氡值，R_n20测氡仪2孔内的氡本底值，R_nN为为测氡仪N孔内异常氡值，R_nN0测氡仪N孔内的氡本底值。

9.根据权利要求1所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述测氡仪采用远端在线测控，将测得的氡浓度值与本底值进行对比，并分析研究规律。

10.根据权利要求1所述的一种深部地下工程不稳定围岩氡气在线监测方法，其特征在于，所述测氡仪采用近端测控，所述测氡仪上设置蓝牙模块，手机安装监控软件后现场近距离对各个所述测氡仪进行参数设置和读取数据。

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