一种预测岩爆岩体弹射动能的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种预测岩爆岩体弹射动能的方法及系统，涉及岩土工程技术领域，根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速；根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度；根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度；根据所述弹射初始速度和所述裂片厚度，确定所述裂片的弹射动能。根据得到的弹射动能和弹射初始速度，不仅能够对围岩的岩爆危害进行监控，以此达到提前预警，保证工作人员的生命安全，还能够指导锚杆的布设和选型，使得支护设计合理，有效抵御岩爆灾害的破坏。有效抵御岩爆灾害的破坏。有效抵御岩爆灾害的破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种预测岩爆岩体弹射动能的方法及系统


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，具体而言，涉及一种预测岩爆岩体弹射动能的方法及系统。

技术介绍

[0002]资源开采、工程建设均都是由浅入深，在开挖过程中会遇到各种灾害问题。岩爆作为最常见的非稳定岩石破坏现象，具有突发性和不确定性，主要原因在于：一，对岩爆的不同驱动机理、孕育过程和破坏机理的掌握不清楚；二，缺少简洁有效的能量输入模型进行深埋隧洞的支护设计，严重依赖经验或者考虑静态、准静态破坏的锚固模型，从而导致支护设计不足或多余，导致不能有效抵御岩爆灾害的破坏。
[0003]在有地下采矿或者地下建筑等活动进行时，会进一步对围岩造成干扰，断层更容易发生滑动，诱发滑移型岩爆，从而对井下采掘空间甚至矿井地表造成严重损害，深入研究岩体结构面的破坏特性对于工程灾害防控具有重要意义。
[0004]在隧道开挖过程中，围岩的应力状态会发生变化，破坏此前的平衡，存在不连续面的岩体会沿着不连续面产生滑移，在滑移过程中，不连续面上的凸起在较高法向应力作用下会产生不同程度的脆性断裂，应力会产生短时间内的突降，发生岩爆，岩爆发生后会引发碎石弹射，威胁施工人员的生命安全，因此如何准确预测结构面滑移岩爆所产生的碎石动能为当前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的问题是如何准确预测结构面滑移岩爆所产生的碎石动能。
[0006]为解决上述问题，一方面，本专利技术提供了一种预测岩爆岩体弹射动能的方法，包括：根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速；根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度；根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度；根据所述弹射初始速度和所述裂片厚度，确定所述裂片的弹射动能。
[0007]可选地，所述根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速包括：根据所述围岩中岩体材料的泊松比和弹性模量，确定所述岩体材料的拉梅常数；根据所述岩体材料的密度以及所述拉梅常数，确定所述入射波的所述初始波速。
[0008]可选地，所述根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度包括：根据所述围岩内的所述原位应力，确定所述围岩内结构面的剪切应力；
根据剪切应力峰值和剪切应力谷值，确定所述结构面滑移后的应力下降值；基于三角形相似法则，根据入射波的波长、所述应力下降值和所述剪切应力谷值，确定所述入射波的应力值与所述裂片厚度之间的关系；将所述入射波的应力值与反射波的应力值进行叠加，得到叠加应力；将所述单轴抗拉强度作为所述叠加应力的临界值，确定所述裂片厚度。
[0009]可选地，所述原位应力包括正应力和切应力，所述剪切应力为：；；其中，表示所述结构面的所述剪切应力；表示主应力；φ表示内摩擦角；c表示结构面黏聚力；表示x方向的正应力；表示z方向的正应力；表示平行于x平面的切应力；α表示结构面外法线方向与x轴正向的夹角。
[0010]可选地，所述入射波的应力值与所述裂片厚度之间的关系为：；；其中，表示所述入射波的所述应力值；λ表示所述入射波的所述波长；δ表示所述裂片厚度；表示所述应力下降值；表示所述剪切应力峰值；表示所述剪切应力谷值。
[0011]可选地，所述裂片厚度为：；其中，δ表示所述裂片厚度；λ表示所述入射波的所述波长；表示所述应力下降值；表示所述岩体的所述单轴抗拉强度。
[0012]可选地，所述根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度包括：根据所述入射波的应力值与所述裂片厚度之间的关系和所述初始波速与所述裂片厚度之间的关系，得到应力值函数；根据所述应力值函数和所述裂片厚度，得到所述应力值的冲量；基于动量定理，根据所述应力值的所述冲量，确定所述裂片的所述弹射初始速度。
[0013]可选地，所述应力值函数为：；其中，表示所述结构面所在位置随时间变化的应力值；表示所述初始波速；t表示所述入射波的传播时长；λ表示所述入射波的所述波长；表示所述应力下降
值；表示所述剪切应力谷值。
[0014]可选地，所述弹射初始速度为：；其中，表示所述裂片的所述弹射初始速度；表示所述剪切应力峰值；表示所述岩体的所述单轴抗拉强度；表示所述岩体的密度；表示所述初始波速。
[0015]可选地，所述裂片的所述弹射动能为：；其中，E表示所述裂片的所述弹射动能；δ表示所述裂片厚度；A表示断裂面的面积；表示所述剪切应力峰值；表示所述岩体的所述单轴抗拉强度；表示所述岩体的密度；表示所述初始波速。
[0016]可选地，所述根据所述弹射初始速度和所述裂片厚度，确定所述裂片的弹射动能之后，所述预测岩爆岩体弹射动能的方法还包括：根据所述弹射初始速度和锚杆的布设间距，确定所述锚杆承受的动能；根据所述锚杆承受的动能，确定所述锚杆的选型。
[0017]另外一方面，本专利技术还提供了一种预测岩爆岩体弹射动能的系统，包括：波速分析模块，用于根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速；裂片厚度分析模块，用于根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度；弹射速度分析模块，用于根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度；弹射动能分析模块，用于根据所述弹射初始速度和所述裂片厚度，确定所述裂片的弹射动能。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的一种预测岩爆岩体弹射动能的方法及系统，通过根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速，得知入射波的传播特性，然后根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度，将应力波的传播微观化，构建传播模型和应力分析模型，从点及面的分析应力传播的整个过程，进而根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度，结合得到的所述弹射初始速度和所述裂片厚度，能够简便快捷地确定裂片的弹射动能，根据得到的弹射动能和弹射初始速度，不仅能够对围岩的岩爆危害进行监控，以此达到提前预警，保证工作人员的生命安全，还能够指导锚杆的布设和选型，使得支护设计合理，有效抵御岩爆灾害的破坏。
附图说明
[0019]图1示出了本专利技术实施例中预测岩爆岩体弹射动能的方法流程示意图；图2示出了本专利技术实施例中基于摩尔库伦准则计算结构面峰值剪切应力的单元体示意图；图3示出了本专利技术实施例中花岗岩结构面剪切位移－剪切应力曲线示意图；图4示出了本专利技术实施例中应力波在固体介质中传播的示意图；图5示出了本专利技术实施例中应力波在临空面附近产生反射的示意图；图6示出了本专利技术实施例中锚杆平面位置示意图。
具体实施方式
[0020]为使本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，包括：根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速；根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度；根据剪切应力峰值、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述初始波速，确定裂片的弹射初始速度；根据所述弹射初始速度和所述裂片厚度，确定所述裂片的弹射动能。2.根据权利要求1所述的预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，所述根据围岩中岩体的材料特性，确定所述围岩中入射波的初始波速包括：根据所述围岩中岩体材料的泊松比和弹性模量，确定所述岩体材料的拉梅常数；根据所述岩体材料的密度以及所述拉梅常数，确定所述入射波的所述初始波速。3.根据权利要求1所述的预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，所述根据所述入射波的波长、所述岩体的单轴抗拉强度以及所述围岩内结构面滑移后的应力下降值，确定所述结构面滑移后产生的裂片厚度包括：根据所述围岩内的原位应力，确定所述围岩内结构面的剪切应力；根据剪切应力峰值和剪切应力谷值，确定所述结构面滑移后的应力下降值；基于三角形相似法则，根据入射波的波长、所述应力下降值和所述剪切应力谷值，确定所述入射波的应力值与所述裂片厚度之间的关系；将所述入射波的应力值与反射波的应力值进行叠加，得到叠加应力；将所述单轴抗拉强度作为所述叠加应力的临界值，确定所述裂片厚度。4.根据权利要求3所述的预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，所述原位应力包括正应力和切应力，所述剪切应力为：；；其中，表示所述结构面的所述剪切应力；表示主应力；φ表示内摩擦角；c表示结构面黏聚力；表示x方向的正应力；表示z方向的正应力；表示平行于x平面的切应力；α表示结构面外法线方向与x轴正向的夹角。5.根据权利要求4所述的预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，所述入射波的应力值与所述裂片厚度之间的关系为：；；其中，表示所述入射波的所述应力值；λ表示所述入射波的所述波长；δ表示所述裂片厚度；表示所述应力下降值；表示所述剪切应力峰值；表示所述剪切应力谷值。
6.根据权利要求5所述的预测岩爆岩体弹射动能的方法，其特征在于，所述裂片厚度为：；其中，δ表示所述裂片厚度；λ表示所述入射波的所述波长；表示所述应力下...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳毅，李育宗，寇学超，李井国，申志军，曹坤，洪辉文，李然，胡磊，王明刚，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：