CN117889791B - 地下工程断层滑移监测系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于断层滑移监测技术领域，为了解决现有地下工程断层滑移不能准确、及时监测预警的问题，提出了地下工程断层滑移监测系统与控制方法，综合巷道位移平均变化率，断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量，以及巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值，对地下工程断层滑移进行监测，实现对断层滑移灾害的实时、准确预警；基于恒阻吸能锚索超常力学特性的分析，确定支护设计能量准则，实现对断层滑移灾害的有效控制，更加有利于保障人员安全以及维护巷道稳定。
Description
技术领域
本发明属于断层滑移监测技术领域，尤其涉及地下工程断层滑移监测系统与控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
断层是地下工程中最为常见的地质构造，在断层影响区进行施工时，易造成严重的事故，这里包括断层滑移诱发地震、煤矿工作面开采诱发断层活化、隧道开挖诱发断层活化等工况，其破坏性巨大，严重危害人类的生命和财产安全。目前地下工程断层滑移的常规监测方法主要针对位移、水位等进行监测，这些参数是产生灾变的必要条件，而非充分条件，不能作为灾变预测的主要依据。同时传统锚杆/网索支护难以满足在冲击、大变形条件下的灾害控制需求。
因此，如何对地下工程断层滑移进行准确及时的监测预警，以及对地下工程断层进行有效的控制，是目前需要解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了地下工程断层滑移监测系统与控制方法，综合不同评价参数对地下工程断层滑移进行监测，实现对断层滑移灾害的实时、准确预警；通过恒阻吸能锚索超常力学特性分析，实现对断层滑移灾害的有效控制。
为实现上述目的，本发明的第一个方面提供地下工程断层滑移监测系统，包括：
数据采集模块，其被配置为：采集巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量；
计算模块，其被配置为：根据所采集的巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量，分别计算对应的评价参数，所述评价参数包括：巷道位移平均变化率，断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量，以及巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值；
其中，巷道位移平均变化率的计算，具体为：
，
式中，为顶底板变化率权重系数，/>为两帮变化率权重系数，/>；/>、 为各个监测点顶底板相对于原始巷道顶底板高度/>的变化率，/>，D r为各个监测点的巷道顶底板高度；/>、/> 为各个监测点两帮相对于原始巷道两帮距离的变化率，/>，D s为两帮距离；
断层面牛顿力曲线斜率为：，
，
式中，F为发震断层面上的牛顿力；M为锚索上的扰动力；α为扰动力的加固角；θ为断层面与水平面夹角；为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值；c为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；S为滑动面的面积，/>为牛顿力增量；
巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量具体计算分别为：
，
，
式中，为监测点巷道稳定微震能量，/>为监测点微震总能量，/>为微震最大能量，/>、/>均为权重系数，/>，/>、/>…/>为各个监测点巷道稳定微震能量，n为监测点个数；
数据评价模块，其被配置为：根据预设的预警等级对所计算的评价参数进行综合分析，根据分析结果进行预警。
本发明的第二个方面提供地下工程断层滑移控制方法，当上述地下工程断层滑移监测系统监测的结果为需要加强防护时，采用恒阻吸能锚索进行支护设计。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，综合巷道位移平均变化率，断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量，以及巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值，对地下工程断层滑移进行监测，实现对断层滑移灾害的实时、准确预警。
在本发明中，基于恒阻吸能锚索超常力学特性的分析，确定支护设计能量准则，实现对断层滑移灾害的有效控制，更加有利于保障人员安全以及维护巷道稳定。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例一中地下工程断层滑移监测系统框架图；
图2为本发明实施例一中断层双体灾变力学模型；
图3为本发明实施例一中地下工程断层滑移灾害三级监测预警；
图4为本发明实施例二中恒阻吸能锚索本构模型及岩体能量平衡关系曲线；
图5为本发明实施例二中恒阻吸能锚索支护原理示意图；
图6为本发明实施例二中巷道断层滑移支护俯视图；
图7为本发明实施例二中巷道断层滑移支护断面图；
其中，1、恒阻器，2、围岩，3、锚索，4、断层，5、恒阻吸能锚索，6、采空区，7、回风巷，8、进风巷，9、工作面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了地下工程断层滑移监测系统，包括：
数据采集模块，其被配置为：采集巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量；
计算模块，其被配置为：根据所采集的巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量，分别计算对应的评价参数，所述评价参数包括：巷道位移平均变化率，断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量，以及巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值；
数据评价模块，其被配置为：根据预设的预警等级对所计算的评价参数进行综合分析，根据分析结果进行预警。
利用激光测距仪测得各个监测点的巷道顶底板高度D r、两帮距离D s，根据权重分析法计算各个监测点的巷道位移平均变化率：
（1）
式中，为顶底板变化率权重系数，/>为两帮变化率权重系数，/>；/>、 为各个监测点顶底板相对于原始巷道顶底板高度/>的变化率，/>；/>、 为各个监测点两帮相对于原始巷道两帮距离/>的变化率，/>。
利用锚索测力计测得各个监测点锚索上的扰动力M，并且通过如图2所示的断层双体灾变力学模型可求得牛顿力F，得出各个监测点的牛顿力曲线斜率和牛顿力增量；其中牛顿力为：
（2）
其中，F为发震断层面上的牛顿力，单位：kN；M为锚索上的扰动力单位：kN；α为扰动力的加固角，单位：°；θ为断层面与水平面夹角，单位：°；为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，单位：°；c为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值，单位：kPa；S为滑动面的面积，单位：m2。根据现场地质报告可获得上述各个参量。
利用微震探头，可测得微震发生时监测点微震总能量和微震最大能量/>，根据权重分析法计算监测点巷道稳定微震能量/>：
（3）
式中，、/>为权重系数，/>。
具体的，通过在工作面内各个位置布置微震探头，可以实时采集到各个监测点处微震发生时的最大能量、/>…/>，总能量/>、/>…/>，通过（3）式可计算得到各个监测点处的巷道稳定微震能量/>、/>…/>。
则，巷道稳定平均微震能量为：
（4）
其中，、/>…/>为各个监测点巷道稳定微震能量，n为监测点个数。
如图3所示，通过对位移，牛顿力和微震能量数据的处理将预警内容分为三部分：
若所计算的巷道位移平均变化率不大于第一预设阈值，则属于第一预警区；若所计算的巷道位移平均变化率大于第一预设阈值，且不大于第二预设阈值，则属于第二预警区；若所计算的巷道位移平均变化率大于第二预设阈值，则属于第三预警区；
若所计算的断层面牛顿力曲线斜率等于零，则属于第一预警区；若所计算的断层面牛顿力曲线斜率大于零，或者所计算的断层面牛顿力曲线斜率等于零，且所计算的断层面牛顿力增量位于第一预设范围内，则属于第二预警区；若所计算的断层面牛顿力曲线斜率小于零，或所计算的断层面牛顿力增量位于第二预设范围内，则属于第三预警区；
若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值不大于第一预设比值，则属于第一预警区；若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值大于第一预设比值且不大于第二预设比值，则属于第二预警区；若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值大于第二预设比值，则属于第三预警区。
具体的，参数A：根据各个监测点的巷道位移平均变化率作为划分标准，将巷道分为三个预警区：蓝色即第一预警区，/>；黄色即第二预警区，/>；红色即第三预警区，/>；
参数B：将牛顿力曲线斜率作为一级准则，牛顿力增量作为二级准则进行巷道分区，共分为三个预警区，蓝色即第一预警区为；黄色即第二预警区为/>或/>时Δ F为20~100kN；红色即第三预警区为/>或ΔF＞100kN。
参数C：根据各个监测点巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量/>的比值作为划分标准，将巷道分为三个预警区：蓝色即第一预警区，/>；黄色即第二预警区，/>；红色即第三预警区，/>；
根据A、B、C三部分内容，建立地下工程断层滑移灾害三级监测预警，包括I级为稳定施工，II级为暂停施工并加强支护，III级为停止设备和工作；其中，I级为A、B、C均为蓝色即第一预警区；II级为A、B、C任一部分为黄色即第二预警区；III级为A、B、C其中二个部分以上为黄色即第二预警区或任一部分为红色即第三预警区。
实施例二
本实施例的目的是提供地下工程断层滑移控制方法，包括：
根据地下工程中矿震对岩层和巷道围岩影响范围，确定巷道围岩耗散能与弹性动能；
确定支护设计能量准则，所述支护设计能量准则为恒阻吸能锚索总吸收的能量不小于围岩耗散能与弹性动能之和；
根据单根恒阻吸能锚索吸收的能量和恒阻吸能锚索数量，与恒阻吸能锚索总吸收的能量的关系，确定恒阻吸能锚索支护设计。
在巷道帮部施打恒阻吸能锚索并且穿越整个断层活化带，穿越断层长度为整体长度的三分之一以上，同时结合地下工程断层滑移灾害三级监测预警结果即是在预警结果为暂停施工并加强支护时，利用恒阻吸能锚索具有高恒阻、大变形、吸收能量、抗冲击等超常力学特性，能够消除或减弱断层上下盘间的相对运动，实现对断层的有效控制。在岩体大变形过程中，恒阻体在恒阻套管内发生滑移，由于恒阻体大端直径略大于套管内径，因此在受拉伸长的同时，套管径向发生膨胀，产生恒阻吸能效应，这也是恒阻吸能锚索具有超常变形能力的原因。
根据地下工程中矿震对岩层和巷道围岩影响范围，得到巷道围岩破断时的最大能量释放量的计算公式为：
（5）
式中，为计算巷道围岩破断时的最大能量释放量；/>为外部扰动能量；/>为巷道围岩聚集能量。
通过控制巷道围岩破断时的最大能量释放量去维持巷道的稳定，最大能量释放量包含了两种能量，其中围岩聚集能量是岩石本身具有的，所以本实施例进行控制的是外部扰动能量这部分，进而通过这部分控制了巷道围岩破断时的最大能量释放量。
其中，
（6）
（7）
（8）
式中，为计算巷道围岩最大主应力；/>为计算巷道围岩中间主应力；/>为计算巷道围岩最小主应力；/>为计算巷道围岩弹性模量，由室内单轴压缩试验获得；/>为计算巷道围岩泊松比；/>为围岩发生破坏的最小能量；/>为围岩体耗散能量；/>为围岩体发生动力破坏时的弹性动能；/>为围岩单轴抗压强度，由室内单轴压缩试验获得。根据现场地质报告可获得上述各个参量。
所以需要在发生断层滑移时巷道保持稳定，支护材料吸收的能量不应低于围岩体耗散能与弹性动能之和，支护设计能量准则为/>，即满足/>。
单根恒阻吸能锚索吸收的能量为：，/>是恒阻吸能锚索的恒阻力，/>是巷道断面收缩而产生的位移，/>是在理想弹性阶段，当外加载荷小于恒阻吸能锚索的恒阻力/>时的位移。
如图4所示，其中，
（9）
式中：f为静摩擦因数；I s，I c分别为恒阻套管弹性常数和恒阻体的几何常数，可分别由下式求得：
（10）
（11）
式中：为恒阻锥形体的半锥角，单位：°；h为锥形体高度，单位：mm；a为锥形体小端直径，单位：mm；b为锥形体大端直径，单位：mm；E，/>分别为恒阻套管的弹性模量和泊松比。
则：
（12）
其中，为安全系数，0＜/>＜1；n为恒阻吸能锚索数量，/>为单根恒阻吸能锚索吸收的能量。
如图5所示，给出了恒阻器1、围岩2和锚索3在围岩变形前、围岩变形后的支护原理图。
如图6所示，给出了断层4、恒阻吸能锚索5、采空区6、回风巷7、进风巷8与工作面9的位置关系图，公式（12）中可以得出恒阻吸能锚索的数量n，除以断层对巷道影响的长度L就是恒阻吸能锚索的排距。
图7示意了恒阻吸能锚索长度穿越整个断层活化带，并且穿越断层长度为整体长度的三分之一以上。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，其被配置为：采集巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量；
计算模块，其被配置为：根据所采集的巷道位移，断层面扰动力以及采场微震能量，分别计算对应的评价参数，所述评价参数包括：巷道位移平均变化率，断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量，以及巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值；
其中，巷道位移平均变化率的计算，具体为：
，
式中，为顶底板变化率权重系数，/>为两帮变化率权重系数，/>；/>、/> 为各个监测点顶底板相对于原始巷道顶底板高度/>的变化率，/>，D r为各个监测点的巷道顶底板高度；/>、/> 为各个监测点两帮相对于原始巷道两帮距离/>的变化率，/>，D s为两帮距离；
断层面牛顿力曲线斜率为：，
，
式中，F为发震断层面上的牛顿力；M为锚索上的扰动力；α为扰动力的加固角；θ为断层面与水平面夹角；为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值；c为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；S为滑动面的面积，/>为牛顿力增量；
巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量/>具体计算分别为：
，
，
式中，为监测点巷道稳定微震能量，/>为监测点微震总能量，/>为微震最大能量，、/>均为权重系数，/>，/>、/>…/>为各个监测点巷道稳定微震能量，n为监测点个数；
数据评价模块，其被配置为：根据预设的预警等级对所计算的评价参数进行综合分析，根据分析结果进行预警。
2.如权利要求1所述的地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，在所述计算模块中，具体包括：根据断层双体灾变力学模型中扰动力的加固角、断层面与水平面夹角、断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值、断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值以及滑动面的面积，结合所采集的断层面扰动力，计算断层面牛顿力；根据所计算的断层面牛顿力，得到断层面牛顿力曲线斜率和断层面牛顿力增量。
3.如权利要求1所述的地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，在所述计算模块中，具体包括：根据监测点微震总能量和微震最大能量计算巷道稳定微震能量，根据各个监测点的巷道稳定微震能量求平均，得到巷道稳定平均微震能量。
4.如权利要求1所述的地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，在所述计算模块中，具体包括：根据各个监测点测得的巷道顶底板高度相对于原始巷道顶底板高度的变化率，以及各个监测点测得的两帮距离相对于原始巷道两帮距离的变化率，计算巷道位移平均变化率。
5.如权利要求1所述的地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，在所述数据评价模块中，若所计算的巷道位移平均变化率不大于第一预设阈值，则属于第一预警区；若所计算的巷道位移平均变化率大于第一预设阈值，且不大于第二预设阈值，则属于第二预警区；若所计算的巷道位移平均变化率大于第二预设阈值，则属于第三预警区；
若所计算的断层面牛顿力曲线斜率等于零，则属于第一预警区；若所计算的断层面牛顿力曲线斜率大于零，或者所计算的断层面牛顿力曲线斜率等于零，且所计算的断层面牛顿力增量位于第一预设范围内，则属于第二预警区；若所计算的断层面牛顿力曲线斜率小于零，或所计算的断层面牛顿力增量位于第二预设范围内，则属于第三预警区；
若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值不大于第一预设比值，则属于第一预警区；若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值大于第一预设比值且不大于第二预设比值，则属于第二预警区；若所计算的巷道稳定微震能量与巷道稳定平均微震能量的比值大于第二预设比值，则属于第三预警区。
6.如权利要求1所述的地下工程断层滑移监测系统，其特征在于，在所述数据评价模块中，还包括：若评价参数所对应的均为第一预警区，则预警结果为稳定施工；若评价参数中任一属于第二预警区，则预警结果为暂停施工并加强防护；若评价参数中任一属于第三预警区，或评价参数中其中两个属于第二预警区，则预警结果为停止设备工作。
7.地下工程断层滑移控制方法，其特征在于，当如权利要求1-6任一项所述的地下工程断层滑移监测系统监测的结果为需要加强防护时，采用恒阻吸能锚索进行支护设计。
8.如权利要求7所述的地下工程断层滑移控制方法，其特征在于，采用恒阻吸能锚索进行支护设计，具体包括：
根据地下工程中矿震对岩层和巷道围岩影响范围，确定巷道围岩耗散能与弹性动能；
确定支护设计能量准则，所述支护设计能量准则为恒阻吸能锚索总吸收的能量不小于围岩耗散能与弹性动能之和；
根据单根恒阻吸能锚索吸收的能量和恒阻吸能锚索数量，与恒阻吸能锚索总吸收的能量的关系，确定恒阻吸能锚索支护设计。
9.如权利要求8所述的地下工程断层滑移控制方法，其特征在于，根据恒阻吸能锚索的恒阻力、巷道断面收缩而产生的位移，以及在理想弹性阶段，当外加载荷小于恒阻吸能锚索的恒阻力时的位移，确定单根恒阻吸能锚索吸收的能量。
10.如权利要求8所述的地下工程断层滑移控制方法，其特征在于，恒阻吸能锚索总吸收的能量为安全系数与单根恒阻吸能锚索吸收的能量，以及恒阻吸能锚索数量的乘积。
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