地下工程围岩等级随钻预测与分类方法

1.本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及地下工程围岩等级随钻预测与分类方法。


背景技术：

2.当前矿山巷道、交通隧道等地下工程得到了前所未有的发展，大断面隧道工程和大埋深井巷工程等逐渐增多，岩石赋存环境十分复杂，且其力学行为特征与浅部相比发生了明显变化使围岩大变形问题十分突出。
3.围岩大变形分为缓慢大变形和瞬时大变形，其中缓慢大变形指矿山巷道、交通隧道等地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏，多发生在强度相对较小的软弱岩（煤）层中；瞬时大变形指如岩爆一样的瞬时的脆性破坏，多发生在强度相对较高、厚度较大的坚硬岩（煤）层中。围岩大变形的存在严重制约了矿山巷道、交通隧道等地下工程的施工建设安全与长期的运营建设。
4.目前对于地下工程围岩等级的划分无统一的标准，多通过各种复杂地质资料作为划分依据，进而对围岩等级进行划分，耗时长，难操作，并且可靠性较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，通过随钻参数的软化等级系数和岩爆倾向性指数分别对软岩和硬岩进行等级划分。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：本发明提供了地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，包括如下步骤：采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，监测钻进过程中随钻参数随钻进深度的变化；将监测到的随钻参数带入建立的公式得到围岩的等效抗压强度与等效抗拉强度；根据围岩的等效抗压强度与强度阈值的关系，将围岩划分为软岩与硬岩；根据围岩等效抗压强度与围岩所受最大地应力的比值，对软岩的软化等级进行划分，进而对围岩缓慢大变形程度进行评价；根据围岩等效抗压强度与等效抗拉强度的比值，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分，进而对围岩瞬时大变形程度进行评价。
6.作为进一步的技术方案，对软岩和硬岩的划分，包括：若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度小于强度阈值，则围岩划分为软岩；若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度大于强度阈值，则围岩划分为硬岩。
7.作为进一步的技术方案，以软化等级界限为判定阈值，对软岩的软化等级进行划分。
8.作为进一步的技术方案，对软岩的软化等级进行划分，包括：若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第一软化等级界限，且大于第二软
化等级界限，则将软岩划分为准软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第二软化等级界限，且大于第三软化等级界限，则将软岩划分为一般软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第三软化等级界限，且大于第四软化等级界限，则将软岩划分为超软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第四软化等级界限，则将软岩划分为极软岩。
9.作为进一步的技术方案，根据软岩的软化等级对软岩采用不同的支护方式，对于准软岩和一般软岩采用煤帮顶部局部锚喷方式进行支护；对于超软岩采用整个断面锚网喷进行支护；对于极软岩采用整个断面锚网喷并在关键节点打入恒阻锚索进行支护。
10.作为进一步的技术方案，以岩爆倾向性界限为判定阈值，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分。
11.作为进一步的技术方案，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分，包括:若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为无岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第二岩爆倾向性界限，且大于或等于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为轻微岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第三岩爆倾向性界限，且大于或等于第二岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为中等岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值大于或等于第三岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为强烈岩爆。
12.作为进一步的技术方案，根据硬岩的岩爆倾向性采用不同的支护方式，对于无岩爆性硬岩和轻微岩爆性硬岩采用锚喷方式进行支护；对于中等岩爆性硬岩采用锚网喷方式，同时在两帮顶部施打恒阻锚索进行支护；对于强烈岩爆性硬岩采用采用锚网喷，在两帮顶部施打恒阻锚索同时增设格栅拱架进行支护。
13.作为进一步的技术方案，对软岩或者硬岩进行分类，利用观测的变形量对地下工程围岩等级进行验证。
14.作为进一步的技术方案，随钻参数包括钻进速度v、钻头转速n、钻进压力f和钻进扭矩m。
15.上述本发明的有益效果如下：（1）本发明提出的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，利用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，通过监测到的随钻参数可得到围岩等效抗压强度与抗拉强度，根据围岩的等效抗压强度与强度阈值的关系可以实现软岩和硬岩的定量划分。
16.（2）本发明提出了基于随钻参数的软化等级系数rsc
dp
和基于随钻参数的岩爆倾向性指数rpi
dp
，通过两个指数可以分别实现对软岩软化等级的划分和硬岩岩爆倾向性等级的划分。
17.（3）本发明提出的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，根据划分的软岩软化等级和硬岩岩爆倾向性等级进行随钻预测，同时根据预测结果可以实现对地下工程围岩的分类，根据分类结果进行针对性的支护设计。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：图1示出了本发明实施例中地下工程围岩等级随钻预测与分类方法技术路线图；图2示出了本发明实施例中地下工程围岩钻进测试图。
19.图中：1、智能钻机。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
21.如图1和图2所示，本实施例提供了地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，包括如下步骤：s101：采用智能钻机1对围岩进行数字钻进测试，监测钻进过程中随钻参数随钻进深度的变化。
22.采用智能钻机1对地下工程围岩沿前方和上方多个角度进行钻进，监测每个钻进过程中钻进速度v、钻头转速n、钻进压力f和钻进扭矩m四类随钻参数随钻进深度的变化。
23.s102：将监测到的随钻参数带入建立的公式得到围岩的等效抗压强度与等效抗拉强度。
24.步骤s102中的公式包括等效抗压强度计算公式和等效抗拉强度计算公式，计算公式分别为：式分别为：式中，ecs为围岩的等效抗压强度，a、b为等效抗压强度公式的拟合系数；ets为围岩的等效抗拉强度，c、d为等效抗拉强度公式的拟合系数。
25.s103：根据围岩的等效抗压强度与强度阈值的关系，将围岩划分为软岩与硬岩。
26.若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度小于强度阈值，则围岩划分为软岩。
27.若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度大于强度阈值，则围岩划分为硬岩。
28.根据国际岩石力学学会定义：软岩指单轴抗压强度在0.5-25mpa之间的一类岩石，根据此定义设定强度阈值为25mpa。
29.s104：根据围岩等效抗压强度与围岩所受最大地应力的比值rsc
dp
，对软岩的软化等级进行划分，进而对围岩缓慢大变形程度进行评价。
30.等效抗压强度与所受最大地应力的比值rsc
dp
，计算公式为：式中，rsc
dp
为基于随钻参数的软化等级系数；ecs为围岩的等效抗压强度；为围
岩的所受最大地应力。
31.若等效抗压强度与所受最大地应力的比值rsc
dp
小于第一软化等级界限，且大于第二软化等级界限，则将软岩划分为准软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值rsc
dp
小于第二软化等级界限，且大于第三软化等级界限，则将软岩划分为一般软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值rsc
dp
小于第三软化等级界限，且大于第四软化等级界限，则将软岩划分为超软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值rsc
dp
小于第四软化等级界限，则将软岩划分为极软岩。
32.软化等级界限用来对软岩的软化程度进行划分，软化等级界限是取值位于0-1之间的数值，第一软化等级界限数值》第二软化等级界限数值》第三软化等级界限数值》第四软化等级界限数值，用建立的软化等级系数与各软化等级界限数值相比较，根据软化等级系数所落在的区间对软岩软化程度进行划分，具体的第一软化等级界限值为1，第二软化等级界限值为0.8，第三软化等级界限值为0.5，第四软化等级界限值为0.3。
33.s105：根据围岩等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分，进而对围岩瞬时大变形程度进行评价。
34.等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
，计算公式为：式中，rpi
dp
为基于随钻参数的岩爆倾向性指数；ecs为围岩的等效抗压强度；ets为围岩的等效抗拉强度。
35.若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
小于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为无岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
小于第二岩爆倾向性界限，且大于或等于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为轻微岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
小于第三岩爆倾向性界限，且大于或等于第二岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为中等岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值rpi
dp
大于或等于第三岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为强烈岩爆。
36.岩爆倾向性界限用来衡量硬岩发生岩爆的可能性，岩爆倾向性界限是一个界限数值，第一岩爆倾向性界限数值《第二岩爆倾向性界限数值《第三岩爆倾向性界限数值，用建立的岩爆倾向性指数与各岩爆倾向性界限数值相比较，根据岩爆倾向性指数所落在的区间对硬岩的岩爆倾向性进行划分，具体的第一岩爆倾向性界限值为10，第二岩爆倾向性界限值为14，第三岩爆倾向性界限值18。
37.s106：根据地下工程围岩等级随钻预测结果，对围岩进行分类，并对围岩进行针对性支护设计。
38.根据地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，对软岩或者硬岩进行分类，同时利用观测的变形量对地下工程围岩等级进行验证，根据分类结果对围岩进行相应的针对性支护设计，包括根据软岩的软化等级和硬岩的岩爆倾向性等级采用锚喷、锚网喷、锚索、恒阻
锚索和格栅拱架等不同组合方式进行支护。
39.根据软岩的软化等级对软岩采用不同的支护方式，对于准软岩和一般软岩采用煤帮顶部局部锚喷方式进行支护；对于超软岩采用整个断面锚网喷进行支护；对于极软岩采用整个断面锚网喷并在关键节点打入恒阻锚索进行支护。
40.根据硬岩的岩爆倾向性采用不同的支护方式，对于无岩爆性硬岩和轻微岩爆性硬岩采用锚喷方式进行支护；对于中等岩爆性硬岩采用锚网喷方式，同时在两帮顶部施打恒阻锚索进行支护；对于强烈岩爆性硬岩采用采用锚网喷，在两帮顶部施打恒阻锚索同时增设格栅拱架进行支护。
41.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，包括如下步骤：采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，监测钻进过程中随钻参数随钻进深度的变化；将监测到的随钻参数带入建立的公式得到围岩的等效抗压强度与等效抗拉强度；根据围岩的等效抗压强度与强度阈值的关系，将围岩划分为软岩与硬岩；根据围岩等效抗压强度与围岩所受最大地应力的比值，对软岩的软化等级进行划分，进而对围岩缓慢大变形程度进行评价；根据围岩等效抗压强度与等效抗拉强度的比值，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分，进而对围岩瞬时大变形程度进行评价。2.如权利要求1所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，对软岩和硬岩的划分，包括：若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度小于强度阈值，则围岩划分为软岩；若根据随钻参数计算得到的等效抗压强度大于强度阈值，则围岩划分为硬岩。3.如权利要求2所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，以软化等级界限为判定阈值，对软岩的软化等级进行划分。4.如权利要求3所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，对软岩的软化等级进行划分，包括：若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第一软化等级界限，且大于第二软化等级界限，则将软岩划分为准软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第二软化等级界限，且大于第三软化等级界限，则将软岩划分为一般软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第三软化等级界限，且大于第四软化等级界限，则将软岩划分为超软岩；若等效抗压强度与所受最大地应力的比值小于第四软化等级界限，则将软岩划分为极软岩。5.如权利要求4所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，根据软岩的软化等级对软岩采用不同的支护方式，对于准软岩和一般软岩采用煤帮顶部局部锚喷方式进行支护；对于超软岩采用整个断面锚网喷进行支护；对于极软岩采用整个断面锚网喷并在关键节点打入恒阻锚索进行支护。6.如权利要求2所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，以岩爆倾向性界限为判定阈值，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分。7.如权利要求6所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分，包括:若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为无岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第二岩爆倾向性界限，且大于或等于第一岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为轻微岩爆；若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值小于第三岩爆倾向性界限，且大于或等于第二岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为中等岩爆；
若等效抗压强度与等效抗拉强度的比值大于或等于第三岩爆倾向性界限，则将硬岩岩爆倾向性等级划分为强烈岩爆。8.如权利要求7所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，根据硬岩的岩爆倾向性采用不同的支护方式，对于无岩爆性硬岩和轻微岩爆性硬岩采用锚喷方式进行支护；对于中等岩爆性硬岩采用锚网喷方式，同时在两帮顶部施打恒阻锚索进行支护；对于强烈岩爆性硬岩采用采用锚网喷，在两帮顶部施打恒阻锚索同时增设格栅拱架进行支护。9.如权利要求1所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，对软岩或者硬岩进行分类，利用观测的变形量对地下工程围岩等级进行验证。10.如权利要求1所述的地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，其特征在于，随钻参数包括钻进速度v、钻头转速n、钻进压力f和钻进扭矩m。

技术总结
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及地下工程围岩等级随钻预测与分类方法，包括：采用智能钻机对围岩进行数字钻进测试，监测钻进过程中随钻参数随钻进深度的变化；将监测到的随钻参数带入建立的公式得到围岩的等效抗压强度与等效抗拉强度；根据围岩的等效抗压强度与强度阈值的关系，将围岩划分为软岩与硬岩；对于软岩根据围岩等效抗压强度与围岩所受最大地应力的比值，对软岩的软化等级进行划分；对于硬岩根据围岩等效抗压强度与等效抗拉强度的比值，对硬岩的岩爆倾向性等级进行划分；本发明通过随钻参数的软化等级系数和岩爆倾向性指数分别对软岩和硬岩进行等级划分，解决了围岩等级通过各种复杂地质资料作为划分依据可靠性低的问题。依据可靠性低的问题。依据可靠性低的问题。


技术研发人员：王琦 翟大虎 章冲 吴文瑞 高红科
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/12