一種基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展,世界各國(guó)已把地下巖土作為新的國(guó)土資源增長(zhǎng)點(diǎn),巖 土工程正向深部發(fā)展,特別是核工業(yè)、交通、水利等行業(yè),地下工程規(guī)模和深度均出現(xiàn)高速 增長(zhǎng)。隨著地下工程深度的不斷增加,工程災(zāi)害日趨增多,其中最重要的問題就是高地應(yīng)力 誘發(fā)的巖爆災(zāi)害。目前對(duì)于巖爆的成因、機(jī)理還有很多不清楚的地方,如何準(zhǔn)確合理地進(jìn)行 巖爆預(yù)測(cè),已成為地下工程世界性難題之一。
[0003] 國(guó)內(nèi)外的研宄結(jié)果表明,產(chǎn)生巖爆的原因很多,其中主要包括工程開挖、地應(yīng)力水 平、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及裂隙分布、地下水等,但在諸多因素中,地層的巖性條件 和地應(yīng)力的大小是產(chǎn)生巖爆與否的兩個(gè)決定性因素。近幾十年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測(cè) 方面做了大量的研宄工作,提出了各種各樣的理論和預(yù)測(cè)方法,主要可歸為兩大類:一類是 理論法,它是基于巖爆機(jī)理的預(yù)測(cè)方法,如應(yīng)力判據(jù)、能量判據(jù)等,以及將多種巖爆影響因 素綜合考慮的綜合評(píng)判法。另一類是實(shí)測(cè)法,它是借助一些必要的儀器,對(duì)地下工程的現(xiàn)場(chǎng) 或巖體直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)或測(cè)試,來判別是否有發(fā)生巖爆的可能。對(duì)于理論法,由于評(píng)價(jià)指標(biāo)值 難以準(zhǔn)確量測(cè)及評(píng)價(jià)方法的諸多問題,理論法的實(shí)用性和應(yīng)用范圍受到很大限制。對(duì)于現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)測(cè)法,如微震監(jiān)測(cè)法、聲發(fā)射法,其在巖爆的現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)起到了很好的作用,但也存 在費(fèi)用高,操作困難等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明公開了一種基于物探方法的多參量綜合巖爆 預(yù)測(cè)方法,本發(fā)明以研宄區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)反演為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn),對(duì)巖爆 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別,再采用TSP203探測(cè)技術(shù),對(duì)掌子面前面長(zhǎng)距離范圍內(nèi)巖體參數(shù)進(jìn)行 預(yù)報(bào)預(yù)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)巖爆的精細(xì)化預(yù)測(cè)。本發(fā)明可操作性強(qiáng),應(yīng)用快速,可為工程地質(zhì)人員 的現(xiàn)場(chǎng)巖爆預(yù)測(cè)提供參考,其在巖爆預(yù)測(cè)中是一種新的嘗試。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的具體方案如下:
[0006] 基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,包括:
[0007] 步驟一:根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力數(shù)據(jù),采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),反演計(jì)算 區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng),獲取研宄對(duì)象的高應(yīng)力區(qū)域分布情況;
[0008] 步驟二:根據(jù)步驟一獲取的高應(yīng)力區(qū)域分布情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn),通過巖 爆預(yù)測(cè)的陶振宇判據(jù)和能量判據(jù)(表2),對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行判別;
[0009] 步驟三:采用TSP203系統(tǒng)對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè),獲取掌子面前方的地層巖 性條件,并結(jié)合地應(yīng)力場(chǎng)反演數(shù)據(jù),對(duì)掌子面前面長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。 [0010] 所述步驟一中,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演工程區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)的 計(jì)算過程:
[0011] (1-1)根據(jù)工程實(shí)際,通過數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 的學(xué)習(xí)樣本;
[0012] (1-2)把步驟(1-1)建立的樣本,分成兩部分,一部分作為學(xué)習(xí)樣本,一部分作為 檢驗(yàn)樣本,把學(xué)習(xí)樣本代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到輸入和輸出之間的映射關(guān)系;
[0013] (1-3)再將檢驗(yàn)樣本代入步驟(1-2)訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,檢查模型的輸出 結(jié)果是否同檢驗(yàn)樣本一致,如果一致,則說明第二步建立的映射關(guān)系滿足要求,如果不一 致,則重新對(duì)學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練,直到滿足檢驗(yàn)樣本要求為止;
[0014] (1-4)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力值,代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算輸出,即可得到實(shí)際 地層的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件;
[0015] (1-5)將步驟(1-4)反演得到的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件代入數(shù)值計(jì)算模型,經(jīng) 過計(jì)算即可得到模型中任意一點(diǎn)的地應(yīng)力值。
[0016] 步驟(1-1)中,建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)樣本的過程為:根據(jù)工程實(shí)際巖體力學(xué) 參數(shù)和邊界條件的取值范圍,建立不同的巖體力學(xué)參數(shù)和邊界條件的組合,代入數(shù)值計(jì)算 模型,進(jìn)行計(jì)算,獲得與該組合相對(duì)應(yīng)的測(cè)試分析點(diǎn)的地應(yīng)力值,最后把獲得對(duì)應(yīng)的測(cè)試分 析點(diǎn)的地應(yīng)力值作為輸入,相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件的組合作為輸出,建立學(xué)習(xí)樣 本。
[0017] 所述巖體力學(xué)參數(shù)包括巖石彈性模量、泊松比和密度,邊界條件包括X和y兩個(gè)方 向的側(cè)壓力系數(shù)。
[0018] 所述步驟三中,采用TSP203系統(tǒng)對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)時(shí),TSP203系統(tǒng)通過 在掘進(jìn)面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中施以微型爆破來發(fā)射信號(hào),爆破引發(fā)的地震波在巖體中 以球面的形式向四周傳播,其中一部分向隧道前方傳播,當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界 面時(shí),部分地震信號(hào)反射回來,反射信號(hào)經(jīng)接收傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大,對(duì)反射信號(hào)進(jìn) 行頻譜分析、帶通濾波、初至拾取、炮能均衡、速度分析、深度偏移等操作就可確定不良地質(zhì) 體的位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)。
[0019] 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的TSP數(shù)據(jù),通過TSPwin軟件處理,獲得P,SH和SV波的深度偏移剖 面、巖石物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94,巖體完整性系數(shù)Κν>0. 55 時(shí)巖體為較完整巖體,其是巖爆發(fā)生的有利條件。
[0020] 選擇巖體完整性系數(shù)Kv作為巖爆的判別指標(biāo),Κν〈0. 55時(shí)無巖爆發(fā)生, 0. 55〈Κν〈0. 75時(shí)可發(fā)生中低烈度的巖爆,Κν>0. 75時(shí)可發(fā)生嚴(yán)重巖爆,巖體完整性系數(shù)Kv 計(jì)算公式為: \
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,包括: 步驟一:根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力數(shù)據(jù),采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),反演計(jì)算區(qū)域 的初始地應(yīng)力場(chǎng),獲取研宄對(duì)象的高應(yīng)力區(qū)域分布情況; 步驟二:根據(jù)步驟一獲取的高應(yīng)力區(qū)域分布情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn),通過巖爆預(yù) 測(cè)的陶振宇判據(jù)和能量判據(jù),對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行判別; 步驟三:采用TSP203系統(tǒng)對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè),獲取掌子面前方的地層巖性條 件,并結(jié)合地應(yīng)力場(chǎng)反演數(shù)據(jù),對(duì)掌子面前面長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,所述步 驟一中,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演工程區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算過程: (1-1)根據(jù)工程實(shí)際,通過數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué) 習(xí)樣本; (1-2)把步驟(1-1)建立的樣本,分成兩部分,一部分作為學(xué)習(xí)樣本,一部分作為檢驗(yàn) 樣本,把學(xué)習(xí)樣本代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到輸入和輸出之間的映射關(guān)系; (1-3)再將檢驗(yàn)樣本代入步驟(1-2)訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,檢查模型的輸出結(jié)果 是否同檢驗(yàn)樣本一致,如果一致,則說明第二步建立的映射關(guān)系滿足要求,如果不一致,則 重新對(duì)學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練,直到滿足檢驗(yàn)樣本要求為止; (1-4)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力值,代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算輸出,即可得到實(shí)際地層 的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件; (1-5)將步驟(1-4)反演得到的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件代入數(shù)值計(jì)算模型,經(jīng)過計(jì) 算即可得到模型中任意一點(diǎn)的地應(yīng)力值。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,步驟 (1-1)中,建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)樣本的過程為:根據(jù)工程實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)和邊界條 件的取值范圍,建立不同的巖體力學(xué)參數(shù)和邊界條件的組合,代入數(shù)值計(jì)算模型,進(jìn)行計(jì) 算,獲得與該組合相對(duì)應(yīng)的測(cè)試分析點(diǎn)的地應(yīng)力值,最后把獲得對(duì)應(yīng)的測(cè)試分析點(diǎn)的地應(yīng) 力值作為輸入,相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件的組合作為輸出,建立學(xué)習(xí)樣本。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,所述巖 體力學(xué)參數(shù)包括巖石彈性模量、泊松比和密度,邊界條件包括X和y兩個(gè)方向的側(cè)壓力系 數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,所述步 驟三中,采用TSP203系統(tǒng)對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)時(shí),TSP203系統(tǒng)通過在掘進(jìn)面后方一 定距離內(nèi)的鉆孔中施以微型爆破來發(fā)射信號(hào),爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向 四周傳播,其中一部分向隧道前方傳播,當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時(shí),部分地震信 號(hào)反射回來,反射信號(hào)經(jīng)接收傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大,對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、帶通 濾波、初至拾取、炮能均衡、速度分析、深度偏移操作就可確定不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀、性 質(zhì)及其他相關(guān)參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,對(duì)現(xiàn)場(chǎng) 采集到的TSP數(shù)據(jù),通過TSPwin軟件處理,獲得P,SH和SV波的深度偏移剖面、巖石物理力 學(xué)參數(shù),根據(jù)我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94,巖體完整性系數(shù)Κν>0. 55時(shí)巖體為較完 整巖體,其是巖爆發(fā)生的有利條件。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,選擇巖 體完整性系數(shù)Kv作為巖爆的判別指標(biāo),Κν〈0. 55時(shí)無巖爆發(fā)生,0. 55〈Kv〈0. 75時(shí)可發(fā)生中 低烈度的巖爆,KvX). 75時(shí)可發(fā)生嚴(yán)重巖爆,巖體完整性系數(shù)Kv計(jì)算公式為: I U 式中為巖體的縱波波速,Vd為巖塊的縱波波速;通過TSP系統(tǒng)探測(cè)的巖體縱波波速 值,再結(jié)合巖塊的縱波波速值,即可確定預(yù)測(cè)洞段的Kv值。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,其特征是,所述步 驟三中,巖爆判別時(shí),以巖體完整性系數(shù)Kv值為主,結(jié)合橫波資料、泊松比、縱橫波偏移圖 等參數(shù),對(duì)掌子面前方巖爆情況進(jìn)行綜合判定,獲取掌子面前方的地層巖性條件,并結(jié)合地 應(yīng)力場(chǎng)反演數(shù)據(jù),對(duì)掌子面前面長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測(cè)方法,包括:步驟一:根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力數(shù)據(jù),采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),反演計(jì)算區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng),獲取研究對(duì)象的高應(yīng)力區(qū)域分布情況;步驟二:根據(jù)步驟一獲取的高應(yīng)力區(qū)域分布情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn),對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行判別;步驟三:采用TSP203系統(tǒng)對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè),獲取掌子面前方的地層巖性條件,并結(jié)合地應(yīng)力場(chǎng)反演數(shù)據(jù),對(duì)掌子面前面長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果可為工程地質(zhì)人員的現(xiàn)場(chǎng)巖爆預(yù)測(cè)提供參考,在實(shí)際運(yùn)用過程可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開挖結(jié)果和預(yù)報(bào)結(jié)果,進(jìn)行綜合分析,判定掌子面前方巖爆情況。
【IPC分類】G01V1-00
【公開號(hào)】CN104656124
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510065162
【發(fā)明人】邱道宏, 李術(shù)才, 張樂文, 薛翊國(guó), 蘇茂鑫, 張楠, 牟新偉
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日