一種基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測方法
【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)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，世界各國已把地下巖土作為新的國土資源增長點，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。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。目前對于巖爆的成因、機理還有很多不清楚的地方，如何準確合理地進行 巖爆預(yù)測，已成為地下工程世界性難題之一。
[0003] 國內(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)生巖爆與否的兩個決定性因素。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測 方面做了大量的研宄工作，提出了各種各樣的理論和預(yù)測方法，主要可歸為兩大類：一類是 理論法，它是基于巖爆機理的預(yù)測方法，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判法。另一類是實測法，它是借助一些必要的儀器，對地下工程的現(xiàn)場 或巖體直接進行監(jiān)測或測試，來判別是否有發(fā)生巖爆的可能。對于理論法，由于評價指標值 難以準確量測及評價方法的諸多問題，理論法的實用性和應(yīng)用范圍受到很大限制。對于現(xiàn) 場實測法，如微震監(jiān)測法、聲發(fā)射法，其在巖爆的現(xiàn)場原位監(jiān)測起到了很好的作用，但也存 在費用高，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)測方法，本發(fā)明以研宄區(qū)域的初始地應(yīng)力場反演為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗，對巖爆 高風(fēng)險區(qū)域進行識別，再采用TSP203探測技術(shù)，對掌子面前面長距離范圍內(nèi)巖體參數(shù)進行 預(yù)報預(yù)測，從而實現(xiàn)巖爆的精細化預(yù)測。本發(fā)明可操作性強，應(yīng)用快速，可為工程地質(zhì)人員 的現(xiàn)場巖爆預(yù)測提供參考，其在巖爆預(yù)測中是一種新的嘗試。
[0005] 為實現(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)測方法，包括：
[0007] 步驟一：根據(jù)工程現(xiàn)場實測點的主應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，反演計算 區(qū)域的初始地應(yīng)力場，獲取研宄對象的高應(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)場巖石力學(xué)試驗，通過巖 爆預(yù)測的陶振宇判據(jù)和能量判據(jù)（表2)，對高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強度進行判別；
[0009] 步驟三：采用TSP203系統(tǒng)對巖爆高風(fēng)險區(qū)域進行探測，獲取掌子面前方的地層巖 性條件，并結(jié)合地應(yīng)力場反演數(shù)據(jù)，對掌子面前面長距離范圍內(nèi)的巖爆強度進行精細預(yù)測。 [0010] 所述步驟一中，通過現(xiàn)場實測數(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)力場的 計算過程：
[0011] (1-1)根據(jù)工程實際，通過數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計算模型并建立神經(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 檢驗樣本，把學(xué)習(xí)樣本代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(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，則重新對學(xué)習(xí)樣本進行訓(xùn)練，直到滿足檢驗樣本要求為止；
[0014] (1-4)將現(xiàn)場實測的地應(yīng)力值，代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計算輸出，即可得到實際 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)值計算模型，經(jīng) 過計算即可得到模型中任意一點的地應(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)值計算 模型，進行計算，獲得與該組合相對應(yīng)的測試分析點的地應(yīng)力值，最后把獲得對應(yīng)的測試分 析點的地應(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兩個方 向的側(cè)壓力系數(shù)。
[0018] 所述步驟三中，采用TSP203系統(tǒng)對巖爆高風(fēng)險區(qū)域進行探測時，TSP203系統(tǒng)通過 在掘進面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中施以微型爆破來發(fā)射信號，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，部分地震信號反射回來，反射信號經(jīng)接收傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并放大，對反射信號進 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] 對現(xiàn)場采集到的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)我國工程巖體分級標準GB50218-94,巖體完整性系數(shù)Κν>0. 55 時巖體為較完整巖體，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，Κν〈0. 55時無巖爆發(fā)生， 0. 55〈Κν〈0. 75時可發(fā)生中低烈度的巖爆，Κν>0. 75時可發(fā)生嚴重巖爆，巖體完整性系數(shù)Kv 計算公式為： \
【主權(quán)項】
1. 基于物探方法的多參量綜合巖爆預(yù)測方法，其特征是，包括： 步驟一：根據(jù)工程現(xiàn)場實測點的主應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，反演計算區(qū)域 的初始地應(yīng)力場，獲取研宄對象的高應(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)場巖石力學(xué)試驗，通過巖爆預(yù) 測的陶振宇判據(jù)和能量判據(jù)，對高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強度進行判別； 步驟三：采用TSP203系統(tǒng)對巖爆高風(fēng)險區(qū)域進行探測，獲取掌子面前方的地層巖性條 件，并結(jié)合地應(yīng)力場反演數(shù)據(jù)，對掌子面前面長距離范圍內(nèi)的巖爆強度進行精細預(yù)測。
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)測方法，其特征是，所述步 驟一中，通過現(xiàn)場實測數(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)力場的計算過程： (1-1)根據(jù)工程實際，通過數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計算模型并建立神經(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 樣本，把學(xué)習(xí)樣本代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(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 重新對學(xué)習(xí)樣本進行訓(xùn)練，直到滿足檢驗樣本要求為止； (1-4)將現(xiàn)場實測的地應(yīng)力值，代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計算輸出，即可得到實際地層 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)值計算模型，經(jīng)過計 算即可得到模型中任意一點的地應(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)值計算模型，進行計 算，獲得與該組合相對應(yīng)的測試分析點的地應(yīng)力值，最后把獲得對應(yīng)的測試分析點的地應(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)測方法，其特征是，所述步 驟三中，采用TSP203系統(tǒng)對巖爆高風(fēng)險區(qū)域進行探測時，TSP203系統(tǒng)通過在掘進面后方一 定距離內(nèi)的鉆孔中施以微型爆破來發(fā)射信號，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，部分地震信 號反射回來，反射信號經(jīng)接收傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并放大，對反射信號進行頻譜分析、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)測方法，其特征是，對現(xiàn)場 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)我國工程巖體分級標準GB50218-94,巖體完整性系數(shù)Κν>0. 55時巖體為較完 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，Κν〈0. 55時無巖爆發(fā)生，0. 55〈Kv〈0. 75時可發(fā)生中 低烈度的巖爆，KvX). 75時可發(fā)生嚴重巖爆，巖體完整性系數(shù)Kv計算公式為： 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)測方法，其特征是，所述步 驟三中，巖爆判別時，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)，對掌子面前方巖爆情況進行綜合判定，獲取掌子面前方的地層巖性條件，并結(jié)合地 應(yīng)力場反演數(shù)據(jù)，對掌子面前面長距離范圍內(nèi)的巖爆強度進行精細預(yù)測。
【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)測方法，包括：步驟一：根據(jù)工程現(xiàn)場實測點的主應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，反演計算區(qū)域的初始地應(yīng)力場，獲取研究對象的高應(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)場巖石力學(xué)試驗，對高應(yīng)力區(qū)域的巖爆強度進行判別；步驟三：采用TSP203系統(tǒng)對巖爆高風(fēng)險區(qū)域進行探測，獲取掌子面前方的地層巖性條件，并結(jié)合地應(yīng)力場反演數(shù)據(jù)，對掌子面前面長距離范圍內(nèi)的巖爆強度進行精細預(yù)測。該方法的預(yù)測結(jié)果可為工程地質(zhì)人員的現(xiàn)場巖爆預(yù)測提供參考，在實際運用過程可結(jié)合現(xiàn)場開挖結(jié)果和預(yù)報結(jié)果，進行綜合分析，判定掌子面前方巖爆情況。
【IPC分類】G01V1-00
【公開號】CN104656124
【申請?zhí)枴緾N201510065162
【發(fā)明人】邱道宏, 李術(shù)才, 張樂文, 薛翊國, 蘇茂鑫, 張楠, 牟新偉
【申請人】山東大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月6日