地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，取多组原岩样进行声波探测确定完整岩体中的波速值C0；基于多臂凿岩机智能化控制，由单个钻杆钻孔作业形成激励源，其余炮眼通过钻杆中内置的传感器实现对来自激励源的振动波响应探测，形成若干探测路径；分别绘制波速C

【技术实现步骤摘要】
地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法


[0001]本专利技术涉及地下岩石工程全断面爆破开挖工艺
，特别是涉及一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法。

技术介绍

[0002]随着我国铁路交通、水利水电工程等大力开发，交通隧道、水工隧道等各类地下岩石基础设施建设已随处可见。钻爆法作为地下岩石工程开挖施工的主要方法，用以控制地下洞室开挖轮廓形状，全自动化、全断面钻爆法开挖技术已在国内外进行广泛推广应用。然而，由于施工作业主观因素和围岩的客观条件影响，钻爆法施工常导致围岩过度开挖或开挖不足等不利现象，即“超欠挖效应”。
[0003]实际上，地下岩石工程采取钻爆法开挖时，超欠挖现象是不可避免的，若不加以控制，会严重影响围岩开挖质量和施工效益。超挖将增加隧道掘进的排岩量，需对超挖部位初喷素混凝土，根据其超挖程度确定是否要加设额外钢架或者钢筋网片。与此同时，超挖严重时，会导致爆破松动圈范围扩大，加大对隧洞轮廓设计界限外岩体的损伤，极大增加围岩结构的事故隐患。当产生欠挖问题时，应根据欠挖区域的大小及该部位围岩性质进行补炮或者人工机械凿除处理。因此，无论产生超挖还是欠挖，均会影响施工进度，不利于成本控制。
[0004]当前普遍采用光面爆破技术控制地下洞室开挖轮廓面平整度，由于岩体内部结构面错综复杂，开挖轮廓面边缘结构面交叉区域又是超欠挖效应产生的高频区域，故探测岩体内部结构面空间分布是控制超欠挖效应的重要手段。然而，由于现有探测手段效率低、成本高，受施工扰动大，实际工程中往往采取人工肉眼观察爆破效果，然后不断调整爆破参数，以减少超欠挖产生。显然，仅通过人工肉眼观察爆破效果，很难实质性的解决超欠挖这一难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决上述
技术介绍
存在的不足之处，而提出一种地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，基于岩体内部结构面空间分布探测，进一步优化爆破工艺，减少炸药浪费，提高爆破效果，将超欠挖值控制在一个较小的水平。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所设计的地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
[0007]S1：凿岩钻孔前，根据洞室爆破炮眼布置设计方案，对炮眼编号；
[0008]S2：取爆破开挖标段内的若干组岩样进行声波探测，按关系式C0＝Max{C1，C2，C3，
…
，C
n
}确定完整岩体中的波速值C0，其中，C
n
为所取岩样中某单个岩样的波速值，n为所取的岩样数；
[0009]S3：基于多臂凿岩机的智能化控制，交替产生若干不同激励源和信号接收孔；即利用多臂凿岩机对若干个炮眼进行钻孔作业，一个钻杆钻孔作业时，其余钻杆停止作业，进行钻孔作业的炮眼中，钻杆钻头不断与周围岩石摩擦、振动，形成振动波，将其视作为振源孔，
停止钻孔作业的炮眼视作为信号接收孔；
[0010]S4：钻孔过程中，沿掌子面纵向及径向交叉跨孔探测，通过钻杆内置传感器实现对来自激励源产生的振动波的响应探测，采集激励源信号传至每个传感器的时间以及来自激励源的振动信号，计算波速C
i
；
[0011]S5：钻杆内置传感器与信息处理模块通过无线网络连接，将若干探测路径得到的数据自动传输到信息处理模块，分别绘制波速C
i
、主频F
i
和最大幅值A
i
三维云图；
[0012]S6：结合波速C
i
、主频F
i
和最大幅值A
i
的三维云图判断交叉结构面，判定当前钻爆区超欠挖的潜在风险区，预测下一钻爆区岩体内部结构面的分布特征，提出超欠挖问题的控制措施及爆破工艺优化方案；
[0013]S7：重复步骤S1～S6直至洞室贯通。
[0014]优选地，所述步骤2)中根据钻爆区域爆破效果观测，在不同钻爆区重新取n组原岩样进行声波探测，n为大于3的自然数。
[0015]优选地，所述步骤3)中多臂凿岩机的钻杆数量根据开挖洞室的围岩地质环境确定，各钻杆的钻头处均内置有传感器，钻杆中的若干个传感器与信息处理模块通过无线网络连接，实现大数据自动化处理，也可实现远程测试，避免洞穴坍塌等突发事故造成人员伤亡或设备损坏。
[0016]优选地，所述步骤3)中振源孔与信号接收孔并非固定孔位，根据需求自动切换激励源与信号接收孔，形成若干条探测路径。
[0017]优选地，所述步骤4)中振动信号即为信号接收孔接收来自激励源产生的振速时程域值，按以下关系式计算各探测路径中振动波在岩石中传播的波速：
[0018][0019]式中，C
i
为振动波在岩石中传播的波速；L
i
为激励源与信号接收孔钻头之间的直线距离；T
i
为传感器接收到激励源振动波信号所需的时间，i为探测路径；S
j
为各钻杆内置传感器至其钻头的距离，j为各钻杆编号；C
钻杆
为钻杆材质的纵波波速。
[0020]优选地，所述步骤5)中分别取各探测路径的中点为点元素，波速值等于整体探测路径的波速值，采用快速傅里叶变换实现将振动信号从时域到频域的转换，分别取各探测路径的主频和最大幅值为元素，绘制主频云图、最大幅值云图和三维波速云图。
[0021]优选地，所述步骤5)中将C
i
值与C0值作大小比较，判定岩体内部结构面的密集程度，按C
i
＝(0.95～1)C0、C
i
＝(0.8～0.95)C0、C
i
＝(0.5～0.8)C0进行归类处理，当C
i
＝(0.95～1)C0时，判定为孔间岩体相对完整，无节理裂隙，当C
i
＝(0.8～0.95)C0时，判定为孔间含有节理裂隙，当C
i
＝(0.5～0.8)C0时，判定为孔间含有节理裂隙，且节理裂隙密集。
[0022]优选地，所述步骤6)中判断结构面的方法为，主频云图、最大幅值云图和三维波速云图的相同区域内波速C
i
、主频F
i
和最大幅值A
i
均下降且下降幅度高于阈值，则该区域判断为存在结构面。
[0023]优选地，所述步骤6)中将含有结构面交叉处判定为超欠挖的潜在风险区，在结构面交叉的区域沿周边孔增设炮孔，解决当前钻爆区的超欠挖问题，也可推测下一钻爆区岩体内部结构面的分布，有目的性地补充炮孔或调整钻孔布置方案，优化布置。
[0024]与现有技术相比，本专利技术提出一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法采用的技术方案是，凿岩钻孔前取多组岩样进行声波检测，确定爆破开挖标段内完整岩体中的波速值，编程实现多臂凿岩机的自动化，各钻杆均内置传感器。由单个钻杆钻孔作业形成激励源，其余炮眼通过内置换能器进行来自激励源激发的振动波响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：凿岩钻孔前，根据洞室爆破炮眼布置设计方案，对炮眼编号；S2：取爆破开挖标段内的若干组岩样进行声波探测，按关系式C0＝Max{C1，C2，C3，
…
，C
n
}确定完整岩体中的波速值C0，其中，C
n
为所取岩样中某单个岩样的波速值，n为所取的岩样数；S3：基于多臂凿岩机的智能化控制，交替产生若干不同激励源和信号接收孔；即利用多臂凿岩机对若干个炮眼进行钻孔作业，一个钻杆钻孔作业时，其余钻杆停止作业，进行钻孔作业的炮眼中，钻杆钻头不断与周围岩石摩擦、振动，形成振动波，将其视作为振源孔，停止钻孔作业的炮眼视作为信号接收孔；S4：钻孔过程中，沿掌子面纵向及径向交叉跨孔探测，通过钻杆内置传感器实现对来自激励源产生的振动波的响应探测，采集激励源信号传至每个传感器的时间以及来自激励源的振动信号，计算波速C
i
；S5：钻杆内置传感器与信息处理模块通过无线网络连接，将若干探测路径得到的数据自动传输到信息处理模块，分别绘制波速C
i
、主频F
i
和最大幅值A
i
三维云图；S6：结合波速C
i
、主频F
i
和最大幅值A
i
的三维云图判断交叉结构面，判定当前钻爆区超欠挖的潜在风险区，预测下一钻爆区岩体内部结构面的分布特征，提出超欠挖问题的控制措施及爆破工艺优化方案；S7：重复步骤S1～S6直至洞室贯通。2.根据权利要求1所述的地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特征在于：所述步骤2)中根据钻爆区域爆破效果观测，在不同钻爆区重新取n组原岩样进行声波探测，n为大于3的自然数。3.根据权利要求1所述的地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中多臂凿岩机的钻杆数量根据开挖洞室的围岩地质环境确定，各钻杆的钻头处均内置有传感器，传感器与信息处理模块通过无线网络连接。4.根据权利要求1所述的地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中振源孔与信号接收孔并非固定孔位，根据需求自动切换激励源与信号接收孔，形成若干条探测路径。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗忆，龚航里，袁景凌，李新平，邓运辰，黄俊红，瞿登星，郭运华，马瑞秋，谢方，王婧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：