一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法技术

一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，该方法包括以下步骤：步骤1：建立围岩应力计算模型，分析开挖后围岩的应力状态，并计算开挖后围岩的弹性应变能U1：步骤2：计算出围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf；步骤3：获得岩体在不同围压下加载的储能极限值U0；步骤4：得到围岩开裂后可释放弹性应变能Ue；通过计算围岩开裂后可释放弹性应变能与其储能极限的比值Ue/U0，以此预判围岩是否发生岩爆。本发明专利技术提供的一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，可以解决不能很好的预测岩爆发生的灾害阶段，不够精确的问题，能更加准确可靠的预报岩爆的发生，并能够更加真实客观的体现出围岩开挖过程中能量的集聚、耗散和释放特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深部地下工程开挖时岩爆的预报领域，尤其是一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法。
技术介绍
在我国经济建设高速腾飞的背景下，大埋深、高地应力环境下的地下工程建设规模越来越大，且工程类型众多，包括采矿工程、水电站地下洞室群、隧道工程、核废料存储基地等。大埋深、高地应力环境中的硬质脆性岩体往往具有较高的弹性应变能，在原岩进行开挖卸荷时，围岩会出现应力集中，也会经历能量的集聚、耗散和释放过程，当岩体聚集的弹性应变能超过岩体的极限储存能时，洞壁处部分岩体将突然、猛烈地弹射出来，产生一种动力失稳现象——岩爆，岩爆一种工程地质灾害，往往会威胁施工人员和设备的安全，影响施工进度。目前主要有2类不同的预判准则应用于岩爆的预报：(1)岩爆的发生与围岩应力有关。以Russenes岩爆预判法(应力指标σθ/σc)为例，σθ为洞室的最大切向应力，σc为岩石单轴抗压强度；(2)岩爆的发生与能量有关。Kidybinski岩爆预判法(弹性能量指数Wet)应用较为广泛，Wet的定义是弹性岩石试件在受力变形过程中，达到峰值强度以前积累的弹性应变能φsp与卸载所得的耗损应变能φst之比。以上2种预判准则如表1所示：表1两种岩爆判据岩爆的产生过程大致可以分为两部分，破裂阶段：当围岩应力达到岩石强极限值时，岩石发生破裂，产生裂纹或滑移面；灾害阶段：当围岩中集聚的应变能超过岩体的储能极限时，洞壁处部分岩体将失稳而弹射出来，即产生岩爆现象。应力指标σθ/σc是以岩石的应力强度理论为基础建立的，简单实用，可以描述岩爆产生的破裂阶段，但不能很好的预测岩爆发生的灾害阶段。岩体中应变能的聚集是岩爆产生的主要因素，能量指标Wet的建立以能量理论为基础，能够较好的反映岩爆产生的能量机理，但也有其局限性，弹性能量指数Wet反映的是岩体中弹性应变能φsp与卸载所得的耗损应变能φst之比，未能体现岩爆灾害阶段产生的机理，即开挖卸荷后岩体的可释放弹性应变能Ue大于储能极限U0，且该判据主要适用对象是煤岩，而岩爆多发生在深埋硬质脆性岩体中，故弹性能量指数Wet不一定适用于硬岩的岩爆预判。因此，采用应力指标σθ/σc和能量指数Wet来预报岩爆的发生不够精确。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，可以解决不能很好的预测岩爆发生的灾害阶段，不够精确的问题，能更加准确可靠的预报岩爆的发生，并能够更加真实客观的体现出围岩开挖过程中能量的集聚、耗散和释放特征。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，该方法包括以下步骤：步骤1：基于初始地应力场和隧洞开挖横断面形状，建立围岩应力计算模型，分析开挖后围岩的应力状态，并计算开挖后围岩的弹性应变能U1；步骤2：假设在围岩中存在长度为2a、与隧洞径向成β角的初始微裂纹，与隧洞中心的距离为r，裂纹在径向正应力σθ和环向正应力σr双向压应力作用下，计算出围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf；步骤3：对开挖岩体区域进行钻孔取样，对岩样进行不同围压下的常规三轴压缩试验，获得岩体在不同围压下加载的储能极限值U0；步骤4：基于能量守恒定律，通过在围岩应变能密度U1中扣除围岩开裂过程中的能量耗散值Ud，即可得到围岩开裂后可释放弹性应变能Ue；通过计算围岩开裂后可释放弹性应变能与其储能极限的比值Ue/U0，以此预判围岩是否发生岩爆。步骤1的计算过程为：在初始地应力场，假设应力值为P0的条件下，在原岩中开挖一条半径为R的圆形无限长隧洞，通过弹性力学中平面应力法可求解出开挖后围岩第1、第2、第3主应力(σ1、σ2、σ3)、环向正应力σθ、径向正应力σr和裂纹面间的有效剪应力τeff，由围岩的应力状态计算可得开挖后围岩弹性应变能密度U1，如式(1)：U1=P02[3(1-2v)+2(1+v)R4/r4]/2E---(1)]]>式中：v为泊松比，E为弹性模量。步骤2中，设定在围岩中存在长度为2a、与隧洞径向成β角、与隧洞中心的距离为r的初始微裂纹，由围岩开裂模型分析开挖卸荷引起的围岩开裂范围rc和翼裂纹扩展长度l，并计算围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf，相应计算过程如下：rc=[2aξP0cosβ(sin2β-μcos2β)πl*σc+2aξμP0cosβ]12R---(2)]]>翼裂纹扩展长度l与距离r的隐式关系，如式(3)：σcξ=2aP0{R2r2sin2β-μ[1+R2r2cos2β]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：基于初始地应力场和隧洞开挖横断面形状，建立围岩应力计算模型，分析开挖后围岩的应力状态，并计算开挖后围岩的弹性应变能U1：步骤2：假设在围岩中存在长度为2a、与隧洞径向成β角的初始微裂纹，裂纹距隧洞中心的距离为r，裂纹在径向正应力σθ和环向正应力σr双向压应力作用下，计算出围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf；步骤3：对开挖岩体区域进行钻孔取样，对岩样进行不同围压下的常规三轴压缩试验，获得岩体在不同围压下加载的储能极限值U0；步骤4：基于能量守恒定律，通过在围岩应变能密度U1中扣除围岩开裂过程中的能量耗散值Ud，即可得到围岩开裂后可释放弹性应变能Ue；通过计算围岩开裂后可释放弹性应变能与其储能极限的比值Ue/U0，以此预判围岩是否发生岩爆。

【技术特征摘要】
1.一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：基于初始地应力场和隧洞开挖横断面形状，建立围岩应力计算模型，分析开挖后围岩的应力状态，并计算开挖后围岩的弹性应变能U1：步骤2：假设在围岩中存在长度为2a、与隧洞径向成β角的初始微裂纹，裂纹距隧洞中心的距离为r，裂纹在径向正应力σθ和环向正应力σr双向压应力作用下，计算出围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf；步骤3：对开挖岩体区域进行钻孔取样，对岩样进行不同围压下的常规三轴压缩试验，获得岩体在不同围压下加载的储能极限值U0；步骤4：基于能量守恒定律，通过在围岩应变能密度U1中扣除围岩开裂过程中的能量耗散值Ud，即可得到围岩开裂后可释放弹性应变能Ue；通过计算围岩开裂后可释放弹性应变能与其储能极限的比值Ue/U0，以此预判围岩是否发生岩爆。2.根据权利要求1所述的一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，其特征在于步骤1的计算过程为：在初始地应力场，假设应力值为P0的条件下，在原岩中开挖一条半径为R的圆形无限长隧洞，通过弹性力学中平面应力法可求解出开挖后围岩第1、第2、第3主应力(σ1、σ2、σ3)、环向正应力σθ、径向正应力σr和裂纹面间的有效剪应力τeff，由围岩的应力状态计算可得开挖后围岩弹性应变能密度U1，如式(1)：式中：ν为泊松比，E为弹性模量。3.根据权利要求1所述的一种基于可释放弹性应变能的岩爆预报方法，其特征在于步骤2中，设定在围岩中存在长度为2a、与隧洞径向成β角、与隧洞中心的距离为r的初始微裂纹，由围岩开裂模型分析开挖卸荷引起的围岩开裂范围rc和翼裂纹扩展长度l，并计算围岩翼裂纹扩展耗能Ut及主裂纹面上的摩擦耗能Wf，相...

【专利技术属性】
技术研发人员：范勇，王奋，周宜红，赵春菊，江璐，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42