CN116467897A - 基于岩体能量差的岩爆等级预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，涉及地下工程勘察技术领域，解决了现有岩爆能量原位评价方法效率低、精度差的问题，时效性高，提高了施工安全，具体方案如下：设置不同的钻进参数进行室内数字钻进试验，获取随钻参数；利用获取的随钻参数建立岩体能量差计算模型；基于岩体能量差计算模型得到岩体随钻过程中的能量变化以获得岩体能量差；基于室内数字钻进试验中岩体岩爆情况与岩体能量差的关系，建立岩体能量差岩爆等级预测模型，确定岩体能量差岩爆等级划分阈值；基于划分的阈值，结合现场钻进过程中岩体能量差的变化对岩爆等级进行预测。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程勘察技术领域，特别是涉及基于岩体能量差的岩爆等级预测方法。
背景技术
岩爆，是一种由岩体中聚积的大量弹性变形能在短时间内突然释放，导致岩石的爆裂并弹射的现象，常发生在硬厚岩（煤）层中，是深部地下工程中主要的地质灾害之一，其难以预测性与瞬发性对地下工程施工人员与设备产生了巨大的威胁。
发明人发现，现有的岩爆能量预测方法（例如：公开号CN115618526A），虽然能够开展岩体原位钻进试验并对岩爆等级进行预测，但其利用围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度与预先储存的峰值应变来确定围岩岩爆能量，受地下工程岩层复杂结构的影响，无法准确获取预存的原岩应力参数等相关参数，需要开展围岩地应力测试，预测过程复杂，效率低，且预测精度差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，建立了岩体能量差岩爆等级预测模型，确定了岩体能量差岩爆等级划分阈值，依据岩体能量差即可预测岩爆等级，效率高、准确性高，解决了现有岩爆能量原位评价方法效率低、精度差的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明提供了基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，具体如下：
设置不同的钻进参数进行室内数字钻进试验，获取随钻参数；
利用获取的随钻参数建立岩体能量差计算模型；
基于岩体能量差计算模型得到岩体随钻过程中的能量变化以获得岩体能量差；
基于室内数字钻进试验中岩体岩爆情况与岩体能量差的关系，建立岩体能量差岩爆等级预测模型，确定岩体能量差岩爆等级划分阈值；
基于划分的阈值，结合现场钻进过程中岩体能量差的变化对岩爆等级进行预测。
作为进一步的实现方式，所述钻进参数有钻进速度、钻进转速、钻进压力、钻进扭矩；所述随钻参数有钻进速度、钻进转速、钻进压力、钻进扭矩、钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦、钻头半径、钻头切削刃长度。
作为进一步的实现方式，所述岩体能量差计算模型为数字钻进过程中岩体弹性应变能最大能量与最小能量的差值计算模型。
作为进一步的实现方式，所述岩体弹性应变能为随钻过程中岩体单轴抗压强度的平方与两倍的随钻过程中岩体弹性模量的比值。
作为进一步的实现方式，所述随钻过程中岩体单轴抗压强度和随钻过程中岩体弹性模量均由随钻参数以及各随钻参数对应的拟合系数计算获得。
作为进一步的实现方式，岩爆等级的预测依据为：
若钻进过程中的岩体能量差小于第一预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为无岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第一预设阈值，且小于第二预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为弱岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第二预设阈值，且小于第三预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为强岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第三预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为极强岩爆。
作为进一步的实现方式，利用钻探设备开展现场原位岩爆等级预测测试，通过将现场数字钻进原位测试获得的岩体能量差对应的实际岩体岩爆情况与建立的岩体能量差岩爆等级预测模型在相同岩体能量差下预测的岩爆等级对比分析以进行可靠性验证。
作为进一步的实现方式，所述钻探设备设有测试辅助系统，测试辅助系统内置计算机处理装置，用于处理采集的钻进参数，得到岩体随钻过程中的能量变化，利用实时反馈的数据对钻进过程进行动态调整，并根据设定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩爆等级进行预测。
作为进一步的实现方式，所述钻探设备还设有导向钻进系统、与导向钻进系统前端连接的数字解析钻头以及安装在导向钻进系统内的监测控制系统，监测控制系统用于监测控制液压伺服系统进行不同钻进参数的钻进工作，并得到钻进过程中的随钻参数。
作为进一步的实现方式，现场原位岩爆等级预测测试的具体过程为：
将钻探设备置于地下工程施工区域开展数字钻进作业，获得钻进过程中的随钻数据并对随钻数据进行处理，得到随钻过程中能量的随钻变化，根据制定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩体岩爆等级进行预测，并与现场岩爆对比。
上述本发明的有益效果如下：
（1）本发明建立了岩体能量差岩爆等级预测模型，确定了岩体能量差岩爆等级划分阈值，依据岩体能量差即可预测岩爆等级，无需预先设置若干峰值应变作为对比依据，预测效率及准确性高。
（2）本发明基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，开展围岩原位测试，利用数字钻探装备进行现场原位钻进，得到钻进过程中的各随钻参数，实时反演钻进过程中岩体的能量变化，并可通过监测控制系统对钻进过程进行动态调整，实现原位岩体的能量分区，利用岩体能量差阈值对岩爆等级进行预测，时效性高，大大提高了施工安全。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法的流程示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的钻探设备的结构示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1、钻探设备；1-1、液压伺服系统；1-2、监测控制系统；1-3、测试辅助系统；1-4、导向钻进系统；1-5、数字解析钻头；2、围岩。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，现有的岩爆能量原位测试与评价方法，虽然能够开展岩体原位钻进试验并对岩爆等级进行预测，但其利用围岩所受最大应力、岩体等效抗压强度与预先储存的峰值应变来确定围岩岩爆能量，受地下工程岩层复杂结构的影响，无法准确获取预存的原岩应力参数等相关参数，需要开展围岩地应力测试，评价过程复杂，效率低，且评价精度差的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了基于岩体能量差的岩爆等级预测方法。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，提出基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，如图1所示，利用岩体钻进过程中能量的变化，对岩体进行能量分区，结合岩爆发生的能量条件，提出了一个预测岩体岩爆等级的能量差计算模型，对岩爆等级进行预测，方法建立的具体过程如下：
首先进行了室内岩体数字钻进试验，通过设置不同的钻进参数（包括不同的钻进速度、钻进转速、钻进压力、钻进扭矩）进行室内数字钻进试验，根据实验数据得到了各钻进参数对钻进能量的影响规律，由此建立了岩体能量随钻反演模型，以用于分析不同钻进条件下岩体能量的反映机制；
然后根据室内数字钻进试验建立的岩体能量随钻反演模型，利用获取的随钻参数，提出了岩体单轴抗压强度和岩体弹性模量的计算模型为：
（1）
其中，表示岩体单轴抗压强度，/>表示钻进速度，/>表示钻头转速，/>表示钻进扭矩，/>表示钻进压力，/>表示钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦，/>表示钻头半径，/>表示钻头切削刃长度，u表示第一拟合系数，/>表示第二拟合系数。
（2）
其中，表示岩体的弹性模量，/>表示钻进速度，/>表示钻头转速，/>表示钻进扭矩，/>表示钻进压力，/>表示钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦，/>表示钻头半径，/>表示钻头切削刃长度，/>表示第三拟合系数，/>表示第四拟合系数。
根据上述建立的岩体单轴抗压强度和岩体弹性模量计算模型，可以利用下述岩体弹性应变能计算模型，得到岩体钻进过程中的能量变化，岩体弹性应变能计算模型为：
（3）
其中，为随钻过程中岩体单轴抗压强度，/>为随钻过程中的岩体弹性模量，/>为钻进速度，/>为钻进转速，/>为钻进扭矩，/>为钻进压力，/>表示钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦，/>表示钻头半径，/>表示钻头切削刃长度，/>表示第三拟合系数，/>表示第四拟合系数，u表示第一拟合系数，/>表示第二拟合系数。
根据上述岩体弹性应变能计算模型的计算结果可对钻探岩层进行能量原位分区。
基于数字钻进过程中岩体弹性应变能的变化，提出了岩体能量差的计算模型：
（4）
其中为岩体能量差，/>为各岩层最大能量，/>为各岩层最小能量。
基于上述岩体能量差计算模型，可以得到岩体随钻过程中的能量变化情况，以此对岩体进行能量原位分区（即围岩钻进深度内能量的变化，可以此建立钻进过程中的能量变化曲线），借助岩体能量差对岩爆等级进行预测。
具体的，基于室内岩体钻进实验中岩体岩爆情况与岩体能量差的关系，建立岩体能量差岩爆等级预测模型，确定了岩体能量差岩爆等级划分阈值，从而可结合现场实际钻进过程中的岩体能量差的变化，以作为依据对岩爆等级进行预测：
若钻进过程中的岩体能量差小于第一预设阈值，即/>，则确定待评价岩体岩爆等级为无岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第一预设阈值，且小于第二预设阈值/>，即，则确定待评价岩体岩爆等级为弱岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第二预设阈值，且小于第三预设阈值/>，即，则确定待评价岩体岩爆等级为强岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第三预设阈值，即/>，则确定待评价岩体岩爆等级为极强岩爆。
本实施例中第一预设阈值为0kJ/m3、第二预设阈值为200kJ/m3、第三预设阈值为400kJ/m3、第四预设阈值为600kJ/m3，可以理解的是，在其他实施例中也可以是其他数值，具体的可根据实际设计要求进行确定，这里不做过多的限制。
在实际应用中，通过现场钻探测试，得到岩体能量变化，进行岩体能量分区，得到岩体能量差差值，利用上述岩爆等级阈值，即可对现场岩体岩爆等级进行预测。
可以理解的是，虽然图1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。
本实施例中根据不同岩石在不同能量下岩爆发生情况与岩爆现象，确定了不同的岩爆划分阈值，通过岩体能量差差值，可在现场原位对岩体能量进行分区并对岩爆等级进行预测，现场原位测试无需再进行围岩地应力测试，仅通过随钻参数与岩体随钻能量变化即可对岩爆等级进行预测，不再依赖于预存的岩体等效抗压强度、最大应力等参数值，大大提高了预测准度及其时效性。
利用钻探设备1，开展现场原位岩爆等级预测测试，通过将现场数字钻进原位测试获得的岩体能量差对应的实际岩体岩爆情况与建立的岩体能量差岩爆等级预测模型在相同岩体能量差下预测的岩爆等级对比分析以进行可靠性验证，验证偏差在10%以内，因此，本实施例中的岩体能量差岩爆等级预测模型预测数据准确，可应用于现场钻进的岩爆预测工作中。
如图2所示，本实施例中所述的钻探设备1包括：液压伺服系统1-1、监测控制系统1-2、导向钻进系统1-4、测试辅助系统1-3和数字解析钻头1-5，可在地下工程原位开展数字钻进测试，能够精确的获得钻进过程中的各随钻参数。
导向钻进系统1-4前端与数字解析钻头1-5相连，其内部安装有监测控制系统1-2。当开展随钻作业时，可通过监测控制系统1-2监测控制液压伺服系统1-1实现不同钻进速度、不同钻头转速、不同钻进压力的钻进工作，利用位于钻机上的转速传感器和压扭复合传感器、钻机底部位移传感器，得到钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速度、钻进转速等随钻参数。
数字解析钻头1-5包括方形复合片和实芯钢制胎体，方形复合片镶嵌于所述实芯钢制胎体中，形成数字解析钻头1-5的钻头切削刃。测试辅助系统1-3内置计算机处理装置，可及时处理监测控制系统采集钻进参数，得到岩体随钻过程中的能量变化，利用实时反馈的数据对钻进过程进行动态调整，并根据设定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩爆等级进行预测。
结合基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，利用钻探设备1，开展现场原位岩爆等级预测测试的具体实施步骤为：将钻探设备1置于地下工程施工区域，利用导向钻进系统1-4带动数字解析钻头1-5对准围岩2上提前标记的待勘察区域，开展数字钻进作业，通过监测控制系统1-2可以得到钻进过程中的随钻数据，利用计算机软件及时的对随钻数据进行处理，可以得到随钻过程中能量的随钻变化，实现岩体能量的原位分区，根据制定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩体岩爆等级进行预测，并与现场岩爆对比分析，验证基于岩体能量差的岩爆等级预测方法的准确性。
基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，开展围岩原位测试，利用数字钻探装备进行现场原位钻进，得到钻进过程中的各随钻参数，实时反演钻进过程中岩体的能量变化，并可通过监测控制系统1-2对钻进过程进行动态调整，可实现原位岩体的能量分区，利用岩体能量差阈值对岩爆等级进行预测，大大提高了施工安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，具体如下：
设置不同的钻进参数进行室内数字钻进试验，获取随钻参数；
利用获取的随钻参数建立岩体能量差计算模型；
基于岩体能量差计算模型得到岩体随钻过程中的能量变化以获得岩体能量差；
基于室内数字钻进试验中岩体岩爆情况与岩体能量差的关系，建立岩体能量差岩爆等级预测模型，确定岩体能量差岩爆等级划分阈值；
基于划分的阈值，结合现场钻进过程中岩体能量差的变化对岩爆等级进行预测。
2.根据权利要求1所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述钻进参数有钻进速度、钻进转速、钻进压力、钻进扭矩；所述随钻参数有钻进速度、钻进转速、钻进压力、钻进扭矩、钻头切削刃与孔底岩石间的摩擦、钻头半径、钻头切削刃长度。
3.根据权利要求1所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述岩体能量差计算模型为数字钻进过程中岩体弹性应变能最大能量与最小能量的差值计算模型。
4.根据权利要求3所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述岩体弹性应变能为随钻过程中岩体单轴抗压强度的平方与两倍的随钻过程中岩体弹性模量的比值。
5.根据权利要求4所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述随钻过程中岩体单轴抗压强度和随钻过程中岩体弹性模量均由随钻参数以及各随钻参数对应的拟合系数计算获得。
6.根据权利要求1所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，岩爆等级的预测依据为：
若钻进过程中的岩体能量差小于第一预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为无岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第一预设阈值，且小于第二预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为弱岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第二预设阈值，且小于第三预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为强岩爆；
若钻进过程中的岩体能量差大于第三预设阈值，则确定待评价岩体岩爆等级为极强岩爆。
7.根据权利要求1所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，利用钻探设备开展现场原位岩爆等级预测测试，通过将现场数字钻进原位测试获得的岩体能量差对应的实际岩体岩爆情况与建立的岩体能量差岩爆等级预测模型在相同岩体能量差下预测的岩爆等级对比分析以进行可靠性验证。
8.根据权利要求7所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述钻探设备设有测试辅助系统，测试辅助系统内置计算机处理装置，用于处理采集的钻进参数，得到岩体随钻过程中的能量变化，利用实时反馈的数据对钻进过程进行动态调整，并根据设定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩爆等级进行预测。
9.根据权利要求7所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，所述钻探设备还设有导向钻进系统、与导向钻进系统前端连接的数字解析钻头以及安装在导向钻进系统内的监测控制系统，监测控制系统用于监测控制液压伺服系统进行不同钻进参数的钻进工作，并得到钻进过程中的随钻参数。
10.根据权利要求7所述的基于岩体能量差的岩爆等级预测方法，其特征在于，现场原位岩爆等级预测测试的具体过程为：
将钻探设备置于地下工程施工区域开展数字钻进作业，获得钻进过程中的随钻数据并对随钻数据进行处理，得到随钻过程中能量的随钻变化，根据制定的岩体能量差岩爆等级划分阈值对岩体岩爆等级进行预测，并与现场岩爆对比。
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