專利名稱：高地應力地區(qū)近水平巖層巖爆的綜合預報方法
技術領域：
本發(fā)明屬于地下工程技術領域，特別涉及一種巖爆預報方法。
背景技術：
巖爆是高地應力條件下的地下洞室開挖過程中，因圍巖開挖卸荷而發(fā)生脆性破壞，儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放且產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災害，是一種容易導致設備損壞或人員傷亡的微震。巖爆主要由巖體的能量來源、能量儲存與能量釋放三個基本因素決定，影響這三個因素的條件不是單一的，主要有地應力、地層巖性、洞室的空間布置等。
巖爆預報問題是世界性的地下工程難題之一，國內(nèi)外許多學者從多方面對巖爆問題進行了大量的研究，得到較多可應用于工程實踐中的巖爆預測方法、防治措施，如陶振宇判據(jù)、二郎山公路隧道巖爆判別方法、秦嶺巖爆判別方法、臨界埋深判據(jù)、Barton判據(jù)、Russense判據(jù)、Turchaninov判據(jù)、Kidybinski方法、Hoek判據(jù)等,并結合現(xiàn)場巖爆現(xiàn)象及室內(nèi)試驗表征對巖爆機理進行研究，得到許多有益的結果。鑒于巖爆預報的復雜性，目前對巖爆成因及機理的認識尚處在探索階段，因此現(xiàn)有巖爆預報的研究大多基于巖爆的某一個或幾個特征，導致預報準確率不高，且只適用于某類地層條件，不具備推廣價值。究其原因，是沒有對巖爆進行多因素系統(tǒng)地分析研究預報，這也與地下工程的復雜性有關，即每個工程的地層巖性、賦存條件等等各不相同。因此，需要一種能夠綜合分析影響巖爆的幾種主要因素可較準確地預報巖爆的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對深埋近水平巖層地區(qū)的地下工程巖爆進行多因素綜合預報的方法。本發(fā)明的技術方案是一種高地應力地區(qū)近水平巖層巖爆的綜合預報方法，它包括以下步驟A.進行巖石力學試驗，初步預判工程區(qū)巖爆烈度取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做室內(nèi)巖石力學試驗，測定巖石單軸抗壓強度0。；取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做巖爆傾向性試驗，根據(jù)室內(nèi)試驗得到的巖石力學參數(shù)，以A. Kidybinski提出的巖爆傾向性指標,判斷巖爆傾向性指數(shù)；具體方法為在進行單軸抗壓強度試驗時先將巖石試件加載到0. 7 0。 0. 8 0。，0。為巖石單軸抗壓強度，然后再卸載到0. 05 0。，定義卸載所釋放的彈性應變能(^sp與耗損的彈性應變能0st之比值Wet = Ctsp/Ctst為巖爆傾向性指數(shù)；根據(jù)波蘭國家標準wet彡5. 0，將發(fā)生嚴重巖爆傾向-Xt=3. 5 5. 0，將發(fā)生中等烈度巖爆傾向；Wrt = 2. 0 3. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆傾向；Wrt
<2. 0,不會發(fā)生巖爆傾向；B.測量工程區(qū)的三維地應力，預判工程區(qū)的巖爆烈度根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)構造的復雜程度，確定不少于4個的測點，采用應力解除法、水壓致裂法測定工程區(qū)三維地應力；利用最大主應力O i的大小和巖石單軸抗壓強度0。的比值判斷可能的巖爆烈度；具體判據(jù)為0。/。i < 2. 5將發(fā)生嚴重巖爆；0。/ 0 i = 2. 5 5. 5，將發(fā)生中等烈度巖爆；O。/ 0 I = 5. 5 14. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆；O。/ 0 I彡14. 5，無巖爆發(fā)生； C.綜合地質(zhì)素描、工程物探、超前鉆孔等成果，建立工程區(qū)的三維地質(zhì)模型，結合步驟A和B，初步實現(xiàn)工程區(qū)巖爆的宏觀分區(qū)預測根據(jù)掌子面開挖揭露的地層巖性，進行現(xiàn)場地質(zhì)素描；根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)建模的需要，在典型斷面進行超前鉆孔和洞內(nèi)鉆探，記錄地層巖性和鉆孔中其他的地質(zhì)現(xiàn)象；綜合地質(zhì)素描和鉆孔記錄的結果，建立工程區(qū)三維地質(zhì)模型；根據(jù)步驟A和B中巖爆預報的判斷指標，初步實現(xiàn)工程區(qū)的巖爆宏觀分區(qū)預測；D.建立工程區(qū)的三維數(shù)值計算模型，進行數(shù)值計算，預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位根據(jù)步驟B的地應力測量結果進行地應力場模擬，施加邊界條件，使地應力場應力值接近實測地應力值，滿足三維仿真計算要求；根據(jù)步驟C建立的工程區(qū)三維地質(zhì)模型，進行隧洞開挖模擬，分析開挖后的隧洞變形及受力情況；再進行襯砌和噴錨支護模擬，施加錨桿支護，分析襯砌及噴錨支護效果及錨桿受力情況，計算出隧道圍巖的三維應力分布，找出隧道圍巖各個部位的最大切向應力；采用Russense巖爆判別法預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位模擬計算出的隧道圍巖各個部位最大切應力O 0和最大主應力O。的比值，g卩O 0/0。彡0.55，將具有嚴重巖爆傾向；o 0/0。= 0. 35 0. 55，將具有中等烈度巖爆傾向；o 0/0。= 0. 2 0. 35，將具有輕微烈度巖爆傾向；O 0/o。< 0. 2，不會發(fā)生巖爆；E.綜合評價，預報工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的部位和烈度根據(jù)步驟A、B和D中所列判據(jù)，結合步驟C中的地質(zhì)情況，對工程區(qū)圍巖進行巖爆預報的綜合評價，預報可能發(fā)生巖爆的部位和烈度。本發(fā)明基于巖石力學試驗、現(xiàn)場地質(zhì)情況和計算機模擬對深埋近水平巖層地區(qū)的地下工程巖爆進行多因素綜合預報，經(jīng)實際應用表明，具有原理科學、方法實用、預測準確的特點。


圖I為本發(fā)明步驟A中所用巖爆傾向性指數(shù)示意圖；圖中O為試驗加載應力，￡為巖石應變，Asp為卸載所釋放的彈性應變能，Ast為耗損的彈性應變能；圖2為本發(fā)明實施例2中隧道最大切向應力分布圖。
具體實施例方式實施例I :一種高地應力地區(qū)近水平巖層巖爆的綜合預報方法，它包括以下步驟A.進行巖石力學試驗，初步預判工程區(qū)巖爆烈度取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做室內(nèi)巖石力學試驗，測定巖石單軸抗壓強度0。；取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做巖爆傾向性試驗，根據(jù)室內(nèi)試驗得到的巖石力學參數(shù)，以A. Kidybinski提出的巖爆傾向性指標,判斷巖爆傾向性指數(shù)；具體方法為在進行單軸抗壓強度試驗時先將巖石試件加載到0. 7 0。 0. 8 0。，O。為巖石單軸抗壓強度，然后再卸載到0. 05 O。，定義卸載所釋放的彈性應變能(^sp與耗損的彈性應變能0st之比值Wet = Ctsp/Ctst為巖爆傾向性指數(shù)；根據(jù)波蘭國家標準wet彡5. 0，將發(fā)生嚴重巖爆傾向-Xt=3. 5 5. 0，將發(fā)生中等烈度巖爆傾向-Xt = 2. 0 3. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆傾向；Wrt
<2. 0,不會發(fā)生巖爆傾向；B.測量工程區(qū)的三維地應力，預判工程區(qū)的巖爆烈度根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)構造的復雜程度，確定不少于4個的測點，采用應力解除法、水壓致裂法測定工程區(qū)三維地應力；利用最大主應力O :的大小和巖石單軸抗壓強度O。的比值判斷可能的巖爆烈度；具體判據(jù)為O。/。i < 2. 5將發(fā)生嚴重巖爆；0。/ O i = 2. 5 5. 5，將發(fā)生中等烈度巖爆；O。/ 0 I = 5. 5 14. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆；O。/ 0 I彡14. 5，無巖爆發(fā)生；C.綜合地質(zhì)素描、工程物探、超前鉆孔等成果，建立工程區(qū)的三維地質(zhì)模型，結合 步驟A和B，初步實現(xiàn)工程區(qū)巖爆的宏觀分區(qū)預測根據(jù)掌子面開挖揭露的地層巖性，進行現(xiàn)場地質(zhì)素描；根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)建模的需要，在典型斷面進行超前鉆孔和洞內(nèi)鉆探，記錄地層巖性和鉆孔中其他的地質(zhì)現(xiàn)象；綜合地質(zhì)素描和鉆孔記錄的結果，建立工程區(qū)三維地質(zhì)模型；根據(jù)步驟A和B中巖爆預報的判斷指標，初步實現(xiàn)工程區(qū)的巖爆宏觀分區(qū)預測；D.建立工程區(qū)的三維數(shù)值計算模型，進行數(shù)值計算，預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位根據(jù)步驟B的地應力測量結果進行地應力場模擬，施加邊界條件，使地應力場應力值接近實測地應力值，滿足三維仿真計算要求；根據(jù)步驟C建立的工程區(qū)三維地質(zhì)模型，進行隧洞開挖模擬，分析開挖后的隧洞變形及受力情況；再進行襯砌和噴錨支護模擬，施加錨桿支護，分析襯砌及噴錨支護效果及錨桿受力情況，計算出隧道圍巖的三維應力分布，找出隧道圍巖各個部位的最大切向應力；采用Russense巖爆判別法預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位模擬計算出的隧道圍巖各個部位最大切應力O 0和最大主應力O。的比值，g卩O 0/0。彡0.55，將具有嚴重巖爆傾向；o 0/0。= 0. 35 0. 55，將具有中等烈度巖爆傾向；o 0/0。= 0. 2 0. 35，將具有輕微烈度巖爆傾向；O 0/o。< 0. 2，不會發(fā)生巖爆；E.綜合評價，預報工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的部位和烈度根據(jù)步驟A、B和D中所列判據(jù)，結合步驟C中的地質(zhì)情況，對工程區(qū)圍巖進行巖爆預報的綜合評價，預報可能發(fā)生巖爆的部位和烈度。實施例2 :某水電站地下廠房，地層巖性為近水平層狀灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥巖。取隧道不同區(qū)段的巖石做室內(nèi)巖石力學試驗、巖爆傾向性試驗，并在現(xiàn)場進行三維地應力測量，由數(shù)值模擬得到如附圖2所示的隧道最大切向應力分布圖，對巖爆的烈度和位置進行預報和驗證如下表所示。
權利要求
1.一種高地應力地區(qū)近水平巖層巖爆的綜合預報方法，它包括以下步驟 A.進行巖石力學試驗，初步預判工程區(qū)巖爆烈度 取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做室內(nèi)巖石力學試驗，測定巖石單軸抗壓強度0。； 取工程區(qū)不同區(qū)段的典型巖樣做巖爆傾向性試驗，根據(jù)室內(nèi)試驗得到的巖石力學參數(shù)，以A. Kidybinski提出的巖爆傾向性指標,判斷巖爆傾向性指數(shù)；具體方法為在進行單軸抗壓強度試驗時先將巖石試件加載到0. 7 0。 0. 8 0。，O。為巖石單軸抗壓強度，然后再卸載到0. 05 O。，定義卸載所釋放的彈性應變能sp與耗損的彈性應變能0 st之比值Wet=^sp/^ St為巖爆傾向性指數(shù)；根據(jù)波蘭國家標準-Xt彡5.0，將發(fā)生嚴重巖爆傾向-Xt=3. 5 5. 0，將發(fā)生中等烈度巖爆傾向；Wrt = 2. 0 3. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆傾向；Wrt< 2. 0,不會發(fā)生巖爆傾向； B.測量工程區(qū)的三維地應力，預判工程區(qū)的巖爆烈度 根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)構造的復雜程度，確定不少于4個的測點，采用應力解除法、水壓致裂法測定工程區(qū)三維地應力；利用最大主應力O :的大小和巖石單軸抗壓強度O。的比值判斷可能的巖爆烈度；具體判據(jù)為O。/ O I < 2. 5將發(fā)生嚴重巖爆；O。/ 0 I = 2. 5 5. 5，將發(fā)生中等烈度巖爆；O。/ 0 I = 5. 5 14. 5，將發(fā)生輕微烈度巖爆；O。/ 0 I彡14. 5，無巖爆發(fā)生； C.綜合地質(zhì)素描、工程物探、超前鉆孔等成果，建立工程區(qū)的三維地質(zhì)模型，結合步驟A和B，初步實現(xiàn)工程區(qū)巖爆的宏觀分區(qū)預測 根據(jù)掌子面開挖揭露的地層巖性，進行現(xiàn)場地質(zhì)素描；根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)建模的需要，在典型斷面進行超前鉆孔和洞內(nèi)鉆探，記錄地層巖性和鉆孔中其他的地質(zhì)現(xiàn)象；綜合地質(zhì)素描和鉆孔記錄的結果，建立工程區(qū)三維地質(zhì)模型；根據(jù)步驟A和B中巖爆預報的判斷指標，初步實現(xiàn)工程區(qū)的巖爆宏觀分區(qū)預測； D.建立工程區(qū)的三維數(shù)值計算模型，進行數(shù)值計算，預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位 根據(jù)步驟B的地應力測量結果進行地應力場模擬，施加邊界條件，使地應力場應力值接近實測地應力值，滿足三維仿真計算要求；根據(jù)步驟C建立的工程區(qū)三維地質(zhì)模型，進行隧洞開挖模擬，分析開挖后的隧洞變形及受力情況；再進行襯砌和噴錨支護模擬，施加錨桿支護，分析襯砌及噴錨支護效果及錨桿受力情況，計算出隧道圍巖的三維應力分布，找出隧道圍巖各個部位的最大切向應力； 采用Russense巖爆判別法預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位模擬計算出的隧道圍巖各個部位最大切應力O e和最大主應力O。的比值，S卩O e/o。彡0.55，將具有嚴重巖爆傾向；o e/o。= 0. 35 0. 55，將具有中等烈度巖爆傾向；o 0/0。= 0. 2 0. 35，將具有輕微烈度巖爆傾向；O 0/o。< 0. 2，不會發(fā)生巖爆； E.綜合評價，預報工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的部位和烈度 根據(jù)步驟A、B和D中所列判據(jù)，結合步驟C中的地質(zhì)情況，對工程區(qū)圍巖進行巖爆預報的綜合評價，預報可能發(fā)生巖爆的部位和烈度。
全文摘要
本發(fā)明屬于地下工程技術領域，特別涉及一種巖爆預報方法。高地應力地區(qū)近水平巖層巖爆的綜合預報方法，包括以下步驟A.進行巖石力學試驗，初步預判工程區(qū)巖爆烈度；B.測量工程區(qū)的三維地應力，預判工程區(qū)的巖爆烈度；C.綜合地質(zhì)素描、工程物探、超前鉆孔等成果，建立工程區(qū)的三維地質(zhì)模型，結合步驟A和B，初步實現(xiàn)工程區(qū)巖爆的宏觀分區(qū)預測；D.建立工程區(qū)的三維數(shù)值計算模型，進行數(shù)值計算，預測工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的具體部位；E.綜合評價，預報工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的部位和烈度。本發(fā)明基于巖石力學試驗、現(xiàn)場地質(zhì)情況和計算機模擬對深埋近水平巖層地區(qū)的地下工程巖爆進行多因素綜合預報，經(jīng)實際應用表明，具有原理科學、預測準確的特點。
文檔編號G01V9/00GK102749660SQ20121021066
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權日2012年6月26日
發(fā)明者張晨峰, 李劍峰, 李彥恒, 羅立平, 鄭治隆, 陳朝東 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程設計研究所