基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法技术

本发明专利技术涉及隧道工程技术领域，尤其涉及基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，该系统包括S1、对掘进的隧道进行基本假设限定；S2、根据能量守恒原理建立气体压力与岩体最小防突厚度的关系式；S3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；S4、通过FLAC3D软件验证计算结果的正确性。本发明专利技术解决了现有技术中无法有效实现对非煤地层的气体与岩石突出进行计算的问题。体与岩石突出进行计算的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程
，尤其涉及基于能量法的非煤地层隧道岩石突 出安全厚度处理方法。

技术介绍

[0002]隧道施工发生气体与岩体爆突可导致掌子面坍塌，突出物侵入隧道空间，造 成隧道支护结构破坏，施工机械破损，突出的大量气体可能导致人员窒息，甚至 爆炸。隧道施工中突出事故较多的是煤与瓦斯突出，现有大量关于煤层隧道瓦斯 突出的研究并借鉴煤矿开采经验，一些特殊技术已用于隧道施工中防止煤与瓦斯 突出。为预测硬煤矿床“Nowa Ruda Pole Piast Wacaw
‑
Lech”岩石和瓦斯突出 造成的成本，使用带有"XGBoost"机器学习方法的随机森林算法建立了瓦斯和岩 石突出程度的预测模型，该模型可预测岩石和瓦斯突出范围，突出范围预测与突 出的岩石质量、气体体积和突出腔体长度有关。
[0003]当前认为地应力、岩石力学参数和气体压力等综合因素导致突出发生。探讨 了岩石与CO2突出机制，建立了岩石与CO2突出物理模型，分析了岩石与CO2 突出过程、力学环境，指出基于煤与瓦斯突出的关键结构体理论适用于非煤地层 的岩石与气体突出，同时利用能量法建立了岩石与CO2突出判据。研究深入研究 了瓦斯与岩石突出的机理，指出突出的能量源自于岩石弹性变形能、瓦斯膨胀能 和岩石重力势能。测量了地应力、岩石力学参数测试和CO2气体压力，并采用数 值软件计算了隧道应力场分析，从力学角度探讨了突出机理。Skoczylas,N通过咨 询从事评估和预测瓦斯与岩石突出的专家获取相关知识和经验，然后基于模糊逻辑建立估算 瓦斯与岩石突出风险的专家系统，接着为预测硬煤矿床“Nowa Ruda Pole Piast Wacaw
‑
Lech
”ꢀ
岩石和瓦斯突出造成的成本，使用带有"XGBoost"机器学习方法的随机森林算法建立了瓦斯 和岩石突出程度的预测模型，得到的模型可预测岩石和瓦斯突出范围，突出范围预测与突出 的岩石质量、气体体积和突出腔体长度有关。
[0004]近几年来由于深地空间的发展，气体与岩石突出造成的损失及危害已不能忽 略，或者说气体与岩石突出已成为深地空间的主要灾害之一，而受到人们的重视， 开始将数学方法引入气体与岩石突出预测应用技术方面。然而，现有的研究成果 主要研究突出发生的地质环境和突出预测预防，而对非煤地层隧道高压气体与岩 石突出的研究以及相关的预防很少。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理 方法，解决现有技术中无法有效实现对非煤地层的气体与岩石突出进行计算的问 题。
[0006]本专利技术的目的通过以下述技术方案来实现，基于能量法的非煤地层隧道岩石 突出安全厚度处理方法，包括以下步骤：
[0007]S1、对掘进的隧道进行基本假设限定；
[0008]S2、根据能量守恒原理建立气体压力与岩体最小防突厚度的关系式；
[0009]S3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；
[0010]S4、通过FLAC3D软件验证计算结果的正确性。
[0011]需要说明的是，将用于突出机理研究的综合法——能量法引入隧道工程非煤 地层气体与岩石突出机理的研究，对非煤地层气体与岩石突出进行研究，得到非 煤地层气体与岩石突出的机理，实现对非煤地层气体与岩石突出相应的预防与补 救措施。
[0012]进一步的是，所述S1中的基本假设包括以下内容：
[0013]S101、假设隧道掘进断面为圆形；
[0014]S102、假设突出的主要能量来自于气体膨胀能和突出岩体的弹性潜能；
[0015]S103、假设岩体的破坏符合莫尔
–
库仑准则；
[0016]S104、假设岩体符合弹性力学相关假设；
[0017]S105、假设突出是将突出终止线前方岩体全部推出。
[0018]需要说明的是，由于能量法需要考虑岩石物理力学性质、气体岩体和地应力 等综合因素对突出的影响，固收现做出相应的假设，以实现先一步的研究。
[0019]进一步的是，所述S2主要考虑新表面生成所需的表面能和抛掷岩体所需的 动能,具体包括：
[0020]S201、根据能量守恒原理，得计算表达式(1)；
[0021]E2+W＝E1+A
i
ꢀꢀ
(1)
[0022]其中，E2为气体膨胀做功，W为突出岩体弹性潜能、E1为新表面生成所需 的表面能、A
i
(i＝1，2)为抛掷岩体所需的动能
[0023]突出过程中气体与岩体的质量守恒表达式(2)为：
[0024]M＝ρ1V1＝ρ2V2ꢀꢀ
(2)；
[0025]其中，M为突出岩体的质量。ρ1为岩体抛出前的平均密度，V1为岩体抛出 前的体积，ρ2为岩体抛出后的平均密度，V2为岩体抛出的后的堆积体积。
[0026]其中，所述S2还包括S202、新表面生成所需的表面能E1为岩体破碎成一定 块度必须消耗一定的能量，假设岩体破碎后的颗粒为圆球形，则新表面生成所需 的表面能表达式(3)为
[0027]E1＝eV1＝6W∑(γi1/di)V1ꢀꢀ
(3)
[0028]其中，e为破碎比功，i表示破碎比，V1为突出前岩体体积，γ
i
为含量百分数， d
i
为颗粒粒度，W表示建立单位新表面积所花费的包括损失的能量。
[0029]需要时说明的是，上述为计算破碎功的方法。
[0030]其中，所述S2还包括S203、新表面生成所需的表面能1为岩体破碎成一 定块度必须消耗一定的能量，致密岩石不用考虑气体解吸对膨胀能的影响，高压 气体膨胀做功2的表达式(4)为
[0031]E2＝w＝P2V2/(n
‑
1)[((p1/p2)
n
‑1/n)
‑
1]ꢀꢀ
(4)
[0032]其中，P1为岩层高压气体压力，V1为岩层高压气体体积，P2为突出产生后 采掘工作面的高压气体压力，V2为突出产生后采掘工作面的高压气体体积，n为 过程指数。
[0033]需要时说明的是，上述为气体内能的计算方法。
[0034]其中，所述S2还包括S204、突出主要的能量来源为突出岩体中的弹性应变 能，
[0035]岩体内的岩体在一定区域内能量的表达式(5)为：
[0036]W＝∫
Vs
U
e
dV
ꢀꢀ
(5)
[0037]其中，Vs为突出岩体在突出前的体积，E为突出前岩体的弹性模量。
[0038]需要时说明的是，上述为岩体弹性潜能的计算方法。
[0039]其中，所述S2还包括S205、不考虑施工对工作面前方岩体扰动造成的影响， 岩体厚度的表达式(6)为：
[0040]L＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对掘进的隧道进行基本假设限定；S2、根据能量守恒原理建立气体压力与岩体最小防突厚度的关系式；S3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；S4、通过FLAC3D软件验证计算结果的正确性。2.根据权利要求1所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，所述S1中的基本假设包括以下内容：S101、假设隧道掘进断面为圆形；S102、假设突出的主要能量来自于气体膨胀能和突出岩体的弹性潜能；S103、假设岩体的破坏符合莫尔
–
库仑准则；S104、假设岩体符合弹性力学相关假设；S105、假设突出是将突出终止线前方岩体全部推出。3.根据权利要求1所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，所述S2主要考虑新表面生成所需的表面能和抛掷岩体所需的动能,具体包括：S201、根据能量守恒原理，得计算表达式(1)；E2+W＝E1+A
i
ꢀꢀꢀ
(1)其中，E2为气体膨胀做功，W为突出岩体弹性潜能、E1为新表面生成所需的表面能、A
i
(i＝1，2)为抛掷岩体所需的动能突出过程中气体与岩体的质量守恒表达式(2)为：M＝ρ1V1＝ρ2V2ꢀꢀꢀ
(2)；其中，M为突出岩体的质量。ρ1为岩体抛出前的平均密度，V1为岩体抛出前的体积，ρ2为岩体抛出后的平均密度，V2为岩体抛出的后的堆积体积。4.根据权利要求3所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，所述S2还包括：S202、新表面生成所需的表面能E1为岩体破碎成一定块度必须消耗一定的能量，假设岩体破碎后的颗粒为圆球形，则新表面生成所需的表面能表达式(3)为：E1＝eV1＝6W∑(γ
i
1/d
i
)V1ꢀꢀꢀ
(3)其中，e为破碎比功，i表示破碎比，V1为突出前岩体体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏培东，邱鹏，安兴玲，李有贵，何小培，袁鸿，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：