技術領域

本發(fā)明涉及超前地質預報領域，更具體涉及一種隧道超前地質預報方法，特別是涉及一種基于炮孔鉆進信息來預報鉆爆法開挖隧道掌子面前方圍巖地質情況的超前地質預報方法。適用于水電、交通、礦山行業(yè)的鉆爆法開挖隧道超前地質預報，也可用于邊坡、地基等的巖性探測。

背景技術：

隨著我國水電、交通、礦山等行業(yè)工程建設的迅猛發(fā)展，越來越多的隧道（公路、鐵路、地鐵等）、隧洞、巷道等地下洞室修建在地質環(huán)境復雜的巖層中。地下洞室因其隱蔽性和地質環(huán)境的復雜性，在前期勘察階段無法完全弄清地質情況，實際開挖揭露的圍巖情況與勘察報告出入較大的情況屢見不鮮。在復雜地質條件下隧道、巷道等洞室開挖中，由于前方地質條件不清，不能提前做出預防，坍塌、冒頂、涌水、突泥等地質災害時有發(fā)生，造成的財產損失和人員傷亡巨大，因此，施工期開展超前地質預報工作尤為重要。

目前常用的隧道超前地質預報方法可分為兩類：物探方法和鉆探方法。物探方法如地震波法、地質雷達法等，物探方法由于具有多解性，且對操作人員專業(yè)要求高，預報結果因人而異，具有不確定性。鉆探方法如超前水平鉆孔，其耗時很長，費用過高，且占用施工工作面，嚴重影響施工進度，同時通常鉆孔數量較少，不能全面反映前方圍巖情況。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于炮孔鉆進信息來預報鉆爆法開挖隧道掌子面前方圍巖地質情況的超前地質預報方法，操作方便、費用低廉，準確高效，可以進行實時的超前地質預報。炮孔是鉆爆法開挖隧道施工過程中的必須環(huán)節(jié)，炮孔數量大、鉆進快，不另外占用施工時間，研究表明炮孔鉆進過程中的相關參數與前方圍巖質量有非常密切的聯(lián)系，充分利用隧道炮孔鉆進的中相關參數信息，采集并建立參數與圍巖質量的關系，結合掌子面地質情況，對掌子面前方圍巖級別進行預報。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

在隧道炮孔的鉆進中，對鉆進速率、鉆進壓力、鉆桿轉速、巖渣成分、回水量及顏色共6項參數進行采集和分析，基于能量守恒原理，由鉆進速率、鉆進壓力、鉆桿轉速三項指標計算出圍巖可鉆性指數，建立典型圍巖級別的可鉆性指數標準數據庫[Ki]，通過計算出的可鉆性指數與可鉆性指數標準數據庫[Ki]進行對比，預測判定出基本圍巖級別，再結合巖渣成分、回水情況和掌子面圍巖情況，對掌子面前方圍巖級別進行綜合預報。

一種基于炮孔鉆進信息的隧道超前地質預報方法，包括：

在炮孔的鉆進中，對鉆進信息進行采集；

基于能量守恒原理，由采集到的：鉆進速率v、鉆進壓力p、鉆桿轉速N三個參數計算出圍巖可鉆性指數K，建立典型圍巖級別的可鉆性指數標準數據庫[Ki]；

通過計算出的可鉆性指數與可鉆性指數標準數據庫[Ki]進行對比，預測判定出基本圍巖級別；

結合巖渣成分、掌子面圍巖情況，根據回水情況對掌子面前方圍巖級別進行綜合預報，得到隧道超前地質預報結果；

預報的結果將與隧道開挖后的確定的實際圍巖級別進行對比、驗證，對所采用的可鉆性指數標準數據庫[Ki]進行擴充和豐富，完成數據反饋和數據庫修正。

一種基于炮孔鉆進信息的隧道超前地質預報方法，其步驟是：

1.數據的采集：

主要參數是通過傳感器采集得到的，采集過程如下：

1)鉆進速率v是通過安裝在鉆機上的位移傳感器（可采用超聲波傳感器：SRF08，或同級別其它型號）采集的鉆進深度增量Δz除以鉆進時間Δt計算得到，即：

2)鉆進壓力p通過安裝在鉆桿上的壓力傳感器（可采用高溫壓力傳感器：HY-101，或同級別其它型號）采集得到。所述的壓力p的范圍為0.1～1.5MPa。

3)鉆桿轉速N通過安裝在鉆桿上的旋轉傳感器（可采用旋轉編碼器：E6B2-CWZ6C，或同級別其它型號）采集得到。所述的轉速N的范圍不超過500r/min。

4)巖渣、回水量及回水顏色通過人工現(xiàn)場記錄。

2.采集到參數的分析：

1)采集的參數按照下表進行記錄：

表1炮孔鉆進信息表

注：表中數據為示例

2)計算圍巖可鉆性指數：

每種級別圍巖的單位體積破碎功是不同的，在相同條件下,某一種圍巖單位體積的破碎功是一定值，它不僅能反映圍巖抗破碎的屬性,也能反映圍巖綜合物理特性?？摄@性指數就是基于能量觀點提出來的，用于刻畫圍巖綜合物理特性的指標，其具體計算過程如下：

設圍巖破碎總體積為V，鉆機鉆進功率為E，則有能量守恒有，

Vq＝k1Et（1）

式中：

q為單位體積巖石破碎功；

k1為鉆機能量轉化率；

t為鉆進時間。

因鉆機鉆進功率為E與鉆桿扭矩M和轉速N成正比，即：

E＝k2MN   （2）

又因鉆桿扭矩M和鉆進壓力p及鉆頭底面積A成正比，即M＝k3Ap，進而有：

E＝k2k3ApN    （3）

式中，k2，k3均為常系數，A為鉆頭底面積。

巖破碎總體積V取決于鉆頭底面積A、鉆進速度v及鉆進時間t，所以

V＝Avt    （4）

將（3）、（4）式代入（1）式得：

Avtq＝k1k2k3ApNt    (5)

即

vpN=k1k2k3q---(6)]]>

令K=k1k2k3q]]>有，

K=vpN---(7)]]>

稱K為可鉆性指數，式為可鉆性指數的計算公式，在相同的鉆進條件下，可鉆性指數K只與鉆進速率v、鉆進壓力p、鉆桿轉速N相關。

3)基于可鉆性指數K，建立典型圍巖級別的標準數據庫[Ki]：

首先建立典型圍巖級別的可鉆性指數數據庫[Ki]\'(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，下同)。通過在i級圍巖中進行n次炮孔鉆進并獲得鉆進信息，由式計算得到可鉆性指數Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……Kin\'，從而得到i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'。

對i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'內的數據Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……Kin\'，根據概率統(tǒng)計方法進行數據篩選，篩選后的數據作為可鉆性指數標準數據庫[Ki]。

具體的數據篩選方法是：

由概率統(tǒng)計方法，認為i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'內的數據Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……

Kin′服從正態(tài)分布，則

可鉆性指數的均值為：

K￣i′=1nΣj=1nkij---(8)]]>

標準差Si′為：

Si′=1n-1Σj=1n(kij-K￣i′)2---(9)]]>

則可鉆性指數均值的置信水平為1-α的置信區(qū)間為：

(K￣i′-Si′ntα/2(n-1),K￣i′+Si′ntα/2(n-1))---(10)]]>

式中：

α為分位點，α取值范圍是0.01～0.40；

tα/2(n-1)為t分布中，樣本數為n時，t分布中α/2分位點對應的數值，可以通過查閱相關概率論手冊中的t分布表來確定。

將符合：

Kij′∈(K￣i′-Si′ntα/2(n-1),K￣i′+Si′ntα/2(n-1)),j=1,2,3······n---(11)]]>

的數據納入可鉆性指標準數據庫中，形成成i級圍巖的可鉆性指標準數據庫[Ki]。

4)建立基本圍巖級別的判定標準。

對采集的鉆進參數根據式計算可鉆性指數K，然后與可鉆性指數標準數據庫[Ki]進行對比，若計算的可鉆性指數K∈(min[Ki],max[Ki])(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，則認為鉆進段的基本圍巖級別為i級。

3圍巖級別的綜合預報：

根據步驟1，2已經得出了掌子面前方圍巖的基本圍巖級別，在結合巖渣成分、回水情況和掌子面圍巖情況，對圍巖級別進行綜合判定。根據掌子面圍巖情況和巖渣成分對巖石性狀進行預判。由回水情況結合基本圍巖級別，根據表2對圍巖級別做出綜合預報，至此完成對隧道掌子面前方圍巖級別的預報。

表2圍巖級別綜合預報表

4、數據反饋和數據庫修正：

通過步驟3綜合判定的圍巖級別，將綜合預報的圍巖級別于隧道開挖后的實際圍巖級別進行對比、驗證；按照實際圍巖級別對計算的可鉆性指數K分類；按照步驟2中的1)、2)、3)條（即可鉆性指數標準數據庫[Ki]建立的步驟），根據開挖后的實際圍巖級別，將計算的可鉆性指數K擴充到可鉆性指數標準數據庫[Ki]中。這樣在下次預報時，可鉆性指數標準數據庫[Ki]內的數據得到豐富，預報準確性提高。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：

1.本發(fā)明通過對炮孔鉆進信息的分析來進行隧道超前地質預報，不占用隧道掘進時間和空間，在鉆爆法施工掘進中就完成了隧道超前地質預報，效率高，費用低廉。

2.炮孔鉆進信息直觀可靠，在鉆爆法施工中掌子面炮孔數量多，預報結果可靠，準確性高。

3.由于采用數據反饋和不斷修正數據庫，預報的結果會隨著預報次數的增加而不斷提高。

4.本方法操作簡便，預報結果可以方便得出，操作人員不需要較高的專業(yè)知識，對人員要求不高。預報操作過程中不需要埋設炸藥，減小了操作風險。

附圖說明

圖1為一種基于炮孔鉆進信息的隧道超前地質預報方法鉆進信息分析流程圖。

圖2為一種炮孔示意圖及編號示意圖。

具體實施方式

實施例1：

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

一種基于炮孔鉆進信息的隧道超前地質預報方法，它包括下列步驟：

1.在預報實施前先要建立可鉆性指數的標準數據庫[Ki]，其步驟是：

首先建立典型圍巖級別的可鉆性指數數據庫[Ki]\'(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，下同)。通過在i級圍巖中進行n次炮孔鉆進并獲得鉆進信息，由式計算得到可鉆性指數Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……Kin\'，從而得到i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'。

對i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'內的數據Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……Kin\'，根據概率統(tǒng)計方法進行數據篩選，篩選后的數據作為可鉆性指數標準數據庫[Ki]。

具體的數據篩選方法是：

由概率統(tǒng)計方法，認為i級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki]\'內的數據Ki1\'、Ki2\'、Ki3\'……Kin′服從正態(tài)分布，則

可鉆性指數的均值為：

K￣i′=1nΣj=1nkij]]>

標準差Si′為：

Si′=1n-1Σj=1n(kij-K￣i′)2]]>

則可鉆性指數均值的置信水平為1-α的置信區(qū)間為：

(K￣i′-Si′ntα/2(n-1),K￣i′+Si′ntα/2(n-1))]]>

式中：

α為分位點，α取值范圍是0.01～0.40；

tα/2(n-1)為t分布中，樣本數為n時，t分布中α/2分位點對應的數值，可以通過查閱相關概率論手冊中的t分布表來確定。

將符合Kij′∈(K￣i′-Si′ntα/2(n-1),K￣i′+Si′ntα/2(n-1)),j=1,2,3······n,]]>的數據納入可鉆性指標準數據庫中，形成成i級圍巖的可鉆性指標準數據庫[Ki]。

2.超前地質預報實施的具體步驟是：

1)首先對掌子面的超前炮孔進行編號，如圖2所示，編號為H01-01，H01-02……H08-01……

2)將采集得到的鉆進速率v、鉆進壓力p、鉆桿轉速w及巖渣、回水量及回水顏色按照表1的格式逐一記錄。數據采集的頻率為每秒鐘記錄一次。

上述參數主要是通過傳感器采集得到，鉆進速率v是通過安裝在鉆機上的位移傳感器采集的鉆進深度增量Δz除以鉆進時間Δt計算得到，即：鉆進壓力p通過安裝在鉆桿上的壓力傳感器采集得到。鉆桿轉速N通過安裝在鉆桿上的旋轉傳感器采集得到。巖渣、回水量及回水顏色通過人工現(xiàn)場記錄。

3)根據可鉆性指數公式(7)計算每組參數的可鉆性指數K。

4)將計算的可鉆性指數K于可鉆性指數標準數據庫[Ki]進行對比，若計算的可鉆性指數K∈(min[Ki],max[Ki])(i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，則認為鉆進段的基本圍巖級別為i級。

5)根據掌子面圍巖情況和巖渣成分對巖石性狀進行預判。由回水情況結合基本圍巖級別，根據表2對圍巖級別做出綜合預報。

6)綜合預報的圍巖級別與隧道開挖后的確定的實際圍巖級別進行對比、驗證。根據開挖后的確定的實際圍巖級別，將已經采集的數據擴充到可鉆性指數數據庫[Ki]\'中。

7)按照步驟1，得到可鉆性指數的標準數據庫[Ki]。至此完成一次基于炮孔鉆進信息的隧道超前地質預報。