本發(fā)明涉及巖爆防治，特別是涉及一種用于隧道挖掘的巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除方法。

背景技術(shù)：

1、隧道挖掘中的巖爆風(fēng)險(xiǎn)是由于地下巖體受到應(yīng)力作用發(fā)生突然釋放能量的現(xiàn)象，通常伴隨劇烈破裂、巖石飛濺等危險(xiǎn)情況；巖爆嚴(yán)重威脅著深埋地下工程人員和機(jī)械的安全，因此，對(duì)于隧道挖掘來(lái)說(shuō)，巖爆風(fēng)險(xiǎn)的消除尤為重要；

2、目前的巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除通常是采用預(yù)裂爆破或卸壓孔釋放局部高應(yīng)力，具體的爆破范圍和卸壓孔由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理，這種方式存在較大的不確定性，往往難以精準(zhǔn)控制應(yīng)力釋放的范圍和強(qiáng)度，過(guò)度爆破可能造成局部巖體進(jìn)一步損傷，增加后續(xù)開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)；鉆孔卸壓釋放不足時(shí)，高應(yīng)力區(qū)域仍然存在，巖爆風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法徹底消除。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對(duì)上述背景技術(shù)提到的問(wèn)題，提供一種用于隧道挖掘的巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種用于隧道挖掘的巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除方法，包括以下步驟：

3、r1：通過(guò)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析微震事件的空間分布、強(qiáng)度和頻率等，以判斷可能發(fā)生巖爆的潛在點(diǎn)以及其對(duì)應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)值；計(jì)算每個(gè)巖爆點(diǎn)與掌子面之間的間隔距離，選取其中最大的間隔距離記為zmax，選取其中最小的間隔距離記為zmin；

4、r2：以掌子面為中心，一定距離為半徑畫(huà)圓構(gòu)成掌子面的相關(guān)范圍，將處于相關(guān)范圍內(nèi)的潛在點(diǎn)的作為掌子面的相關(guān)點(diǎn)；依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)掃描、三維激掃描和地質(zhì)勘探等獲取相關(guān)范圍內(nèi)的巖體內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造信息，生成掌子面及相關(guān)點(diǎn)之間的巖體結(jié)構(gòu)三維可視化圖像，并將其記作三維模型圖，由此可得若干個(gè)三維模型圖；

5、r3：通過(guò)在隧道挖掘前進(jìn)行地址勘探以獲取掌子面與相關(guān)點(diǎn)之間的巖體特性參數(shù)，其中巖體特性參數(shù)包括巖體類(lèi)型、巖體結(jié)構(gòu)數(shù)量以及每個(gè)巖體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、巖體結(jié)構(gòu)與掌子面之間的位置關(guān)系；依據(jù)巖體特性參數(shù)進(jìn)行分析以衡量其對(duì)掌子面的影響，并據(jù)此得到掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值；

6、r4：基于掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除具體為：

7、步驟一：調(diào)取失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值，并將其與設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間進(jìn)行比較分析，當(dāng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值大于設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間中的最大值時(shí)，則執(zhí)行步驟二：當(dāng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值處于設(shè)定的區(qū)間中時(shí)，則執(zhí)行步驟三；當(dāng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值小于設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間中的最小值時(shí)，則執(zhí)行步驟四：

8、步驟二：依據(jù)爆破參數(shù)執(zhí)行爆破卸壓，具體的爆破參數(shù)包括爆破半徑r爆破和爆破藥量q爆破；當(dāng)爆破卸壓完成后，則返回至r1；

9、步驟三：依據(jù)鉆孔參數(shù)執(zhí)行鉆孔卸壓，鉆孔參數(shù)包括鉆孔數(shù)量s和鉆孔深度h；當(dāng)完成鉆孔卸壓完成后，則返回至r1；

10、步驟四：依據(jù)進(jìn)尺參數(shù)進(jìn)行開(kāi)挖，具體的進(jìn)尺參數(shù)包括進(jìn)尺速度vsafe和最遠(yuǎn)安全距離lsafe；

11、r5：重復(fù)上述步驟r1-r4直至隧道挖掘工作完成。

12、在一些實(shí)施例中，爆破參數(shù)的計(jì)算過(guò)程為：

13、

14、其中η為設(shè)定的范圍轉(zhuǎn)換系數(shù)，k表示當(dāng)爆破系數(shù)，ut為掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值。

15、在一些實(shí)施例中，鉆孔參數(shù)的計(jì)算過(guò)程為：

16、

17、其中α1和α2是設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，w是掌子面的面積，r孔是卸壓孔半徑；zmax是掌子面與潛在巖爆點(diǎn)之間的最大間隔距離。

18、在一些實(shí)施例中，進(jìn)尺參數(shù)的計(jì)算過(guò)程為：

19、

20、其中λ1和λ2分別為設(shè)定的調(diào)整系數(shù)，vmax是設(shè)定的最大掘進(jìn)速度，當(dāng)掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值越大，則進(jìn)尺速度越低；zmin是掌子面與潛在巖爆點(diǎn)之間的最小間隔距離。

21、在一些實(shí)施例中，依據(jù)巖體特性參數(shù)進(jìn)行分析以衡量其對(duì)掌子面的影響，具體的分析步驟如下：

22、5-1：設(shè)定不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)系數(shù)，調(diào)取結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并將其與設(shè)定的所有結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行比對(duì)以匹配到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)系數(shù)；

23、5-2：據(jù)三維模型圖計(jì)算各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面面積記為βj，其中j＝1，2,3……j，j取值為正整數(shù)，j為三維模型中結(jié)構(gòu)面的總數(shù)量，j為其中任意一個(gè)結(jié)構(gòu)面的序號(hào)；

24、5-3：依據(jù)三維模型圖，作出掌子面和結(jié)構(gòu)面的法向量并將其分別記為和利用點(diǎn)積公式計(jì)算得到掌子面的法向量與巖體結(jié)構(gòu)面法向量之間的夾角余弦，具體的點(diǎn)積計(jì)算公式為：

25、

26、5-4：依據(jù)三維模型圖，將掌子面上任意一個(gè)點(diǎn)以及其坐標(biāo)記為oi(xi,yi,zi)，設(shè)定結(jié)構(gòu)面的平面方程系數(shù)為：a、b、c和d，并將其與掌子面上任意一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)幾何公式計(jì)算結(jié)構(gòu)面與掌子面上任意一點(diǎn)的距離，選取其中距離最短的為標(biāo)定距離記為lminj；具體的幾何計(jì)算公式為：

27、

28、5-5：設(shè)定不同巖體類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)一個(gè)巖體穩(wěn)定基值，調(diào)取巖體類(lèi)型，并將其與設(shè)定的所有類(lèi)型進(jìn)行比對(duì)以匹配到對(duì)應(yīng)的巖體穩(wěn)定基值記為t；

29、5-6：將可得各結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)βj、結(jié)構(gòu)面面積gj、結(jié)構(gòu)面與掌子面之間的夾角余弦cosθj、標(biāo)定距離lminj，并將其與掌子面對(duì)應(yīng)的巖體基值t進(jìn)行歸一化處理并取其數(shù)值，對(duì)數(shù)值進(jìn)行公式化計(jì)算分析得到相關(guān)點(diǎn)予掌子面的失穩(wěn)值gl；具體的計(jì)算公式為

30、

31、其中γ1、γ2、γ3、γ4分別為設(shè)定的權(quán)重常數(shù)；由此可得各相關(guān)點(diǎn)予掌子面的失穩(wěn)值記為gla，其中a＝1,2,3……a，a取值為正整數(shù)，a為相關(guān)范圍內(nèi)相關(guān)點(diǎn)的總數(shù)，a為其中任意一個(gè)相關(guān)點(diǎn)；

32、5-7：調(diào)取各相關(guān)點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)值記為ua；將各相關(guān)點(diǎn)予掌子面的失穩(wěn)值gla、相關(guān)點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)值ua和巖體穩(wěn)定基值t進(jìn)行歸一化處理并取其數(shù)值，對(duì)數(shù)值分析得到掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值ut，具體的計(jì)算公式為：

33、

34、其中μ1、μ2、μ3分別為設(shè)定的權(quán)重常數(shù)。

35、在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)面的平面方程推導(dǎo)過(guò)程為：

36、步驟一：構(gòu)建向量，具體為：

37、于結(jié)構(gòu)面上選取三個(gè)點(diǎn)分別為p1(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)和p3(x3，y3，z3)；在三維空間中，任意兩個(gè)點(diǎn)可以確定一個(gè)向量，選取其中一點(diǎn)p1，分別構(gòu)建從p1指向p2和p3的兩個(gè)向量記為和具體的和的坐標(biāo)表示為：

38、

39、步驟一：計(jì)算法向量，具體為：

40、通過(guò)向量和的叉積(外積)可得平面的法向量法向量是垂直于結(jié)構(gòu)面的向量，其分量為a、b、c可以通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

41、

42、具體展開(kāi)為：

43、a＝(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)

44、b＝(z2-z1)(x3-x1)-(z3-z1)(x2-x1)

45、c＝(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)

46、法向量是結(jié)構(gòu)面的法向量；

47、步驟三：確定平面方程，具體為：

48、依據(jù)法向量平面方程可以寫(xiě)為：

49、a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0

50、將其展開(kāi)并化簡(jiǎn)，得到標(biāo)準(zhǔn)的平面方程形式：

51、ax+by+cz+d＝0

52、其中，常數(shù)項(xiàng)d可以通過(guò)將p1(x1,y1,z1)代入得到：

53、d＝-(ax1+by1+cz1)

54、由此可推導(dǎo)結(jié)構(gòu)面的平面方程系數(shù)為：a、b、c、d。

55、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

56、1、通過(guò)采用三維可視化技術(shù)，清晰地展示了掌子面及其相關(guān)點(diǎn)之間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得技術(shù)人員對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有更直觀的理解，使得能夠準(zhǔn)確識(shí)別出與掌子面關(guān)系密切的地質(zhì)特征，從而有針對(duì)性地制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略；

57、2、通過(guò)深入分析巖體特性參數(shù)以建立結(jié)構(gòu)系數(shù)和穩(wěn)定基值的關(guān)聯(lián)，能夠?yàn)槊總€(gè)相關(guān)點(diǎn)提供科學(xué)的失穩(wěn)值計(jì)算，有助于全面評(píng)估巖體對(duì)掌子面的影響，從而為隧道掘進(jìn)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)消除策略的有效實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持；

58、3、通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值，技術(shù)人員可以根據(jù)掌子面的實(shí)際情況，并依據(jù)掌子面的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)值靈活調(diào)整巖爆防范措施，確保應(yīng)力得到適度釋放，避免高應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生，減少巖爆發(fā)生的可能性；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化了巖爆防范措施，顯著提高了作業(yè)安全性和效率。