定向聚能环及隧道围岩应力解除爆破方法 |
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| 申请号 | CN202210694271.6 | 申请日 | 2022-06-17 | 公开(公告)号 | CN115164661B | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 四川华能泸定水电有限公司; 中国科学院武汉岩土力学研究所; | 发明人 | 陈涛; 江权; 于青坤; 郑虹; 陈敏; 梁存绍; 袁超义; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种定向聚能环及隧道围岩应 力 解除爆破方法，定向聚能环包括环本体，环本体的外侧面局部凹设形成有沿其长度方向延伸的聚能槽，聚能槽设置多个且沿其周向间隔布设，环本体具有处在相邻两个聚能槽之间的释能区，每一释能区设有多个通孔，多个通孔沿环本体的长度方向依次布设。本发明提供的定向聚能环，在进行爆破时爆破 能量 从通孔释放，以实现 应力 解除爆破孔的爆破，且爆破能量易从聚能槽处破坏环本体，进而释放能量，如此多个通孔和多个聚能槽释放的能量，对应力解除爆破孔形成网状切割，使应力解除爆破孔被均匀破坏，进行更好释放隧道围岩高应力集中区的应力，有效 预防 岩爆的发生，保证施工人员和设备的安全以及施工进度按计划进行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种隧道围岩应力解除爆破方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 定向聚能环及隧道围岩应力解除爆破方法技术领域背景技术[0002] 岩爆是水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中围岩发生的一种剧烈动力破坏现象，是开挖诱发的开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石的应变能的突然释放，往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，可造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，影响施工进度，还会造成超挖、初期支护失效等问题。目前，隧道岩爆的防预方法是在隧道围岩钻孔后安放炸药进行爆破，但直接在围岩孔进行爆破，能力量过于集中，围岩孔破坏程度不均，导致隧道围岩的岩爆预防效果差。 发明内容[0003] 本发明的主要目的是提出一种定向聚能环及隧道围岩应力解除爆破方法，旨在解决直接在围岩孔进行爆破，能力量过于集中，围岩孔破坏程度不均，导致隧道围岩的岩爆预防效果差的问题。 [0004] 为实现上述目的，本发明提出一种定向聚能环，用于岩体应力解除爆破，所述定向聚能环包括环本体，所述环本体的外侧面局部凹设形成有沿其长度方向延伸的聚能槽，所述聚能槽设置多个，且沿其周向间隔布设，所述环本体具有处在相邻两个所述聚能槽之间的释能区，每一所述释能区设有多个通孔，多个所述通孔沿所述环本体的长度方向依次布设。 [0005] 本发明还提出一种隧道围岩应力解除爆破方法，包括以下步骤： [0007] 确定具有大于预设应力数值的应力集中的空间位置为待爆破应力集中的空间位置； [0008] 在所述待爆破应力集中的空间位置处钻设应力解除爆破孔； [0009] 对应在所述应力解除爆破孔内设置定向聚能环，其中，所述定向聚能环设置为如上所述的定向聚能环； [0010] 在所述定向聚能环内设置炸药进行定向爆破。 [0011] 可选地，所述“确定隧道掌子面区域围岩的应力分布参数”的步骤包括： [0012] 获取隧道围岩拟爆破消能洞段的工程地质参数； [0013] 建立模拟隧道开挖过程的三维数值计算网络模型； [0015] 根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，确定隧道掌子面区域的围岩的应力分布参数。 [0016] 可选地，所述工程地质参数包括岩体初始地应力、岩体力学参数以及隧道几何尺寸。 [0017] 可选地，所述三维数值计算网络模型包括多个模型单元，其中，在所述三维数值计算网络模型中模拟隧道的一倍洞径范围内，每一所述模型单元的等效尺寸小于等于隧道等效直径的1/2，所述三维数值计算网络模型的外边界尺寸大于隧道等效直径的6倍。 [0018] 可选地，所述“根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，确定隧道掌子面区域的围岩的应力分布参数”的步骤包括： [0019] 根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，确定隧道掌子面区域的围岩的应力集中位置； [0020] 截取隧道掌子面区域应力集中位置处不同角度和方向的剖面图； [0021] 根据所述剖面图，确定道掌子面区域的应力集中的空间位置以及应力数值。 [0022] 可选地，所述应力解除爆破孔的孔深为H，待爆破应力集中的空间位置的岩体深度为S，且H≥S。 [0023] 可选地，所述应力解除爆破孔设有三个，三个所述应力解除爆破孔不共线布设，且三个所述应力解除爆破孔的中心轴线相互平行。 [0024] 可选地，任意两个所述应力解除爆破孔之间的距离相等。 [0025] 可选地，所述“在所述定向聚能环内设置炸药进行定向爆破”的步骤包括： [0026] 在所述定向聚能环内设置炸药； [0027] 封堵所述定向聚能环的开口； [0028] 在安全距离外起爆，进行定向爆破。 [0029] 本发明的技术方案中，所述定向聚能环包括环本体，所述环本体的外侧面局部凹设形成有沿其长度方向延伸的聚能槽，所述聚能槽设置多个，且沿其周向间隔布设，所述环本体具有处在相邻两个所述聚能槽之间的释能区，每一所述释能区设有多个通孔，多个所述通孔沿所述环本体的长度方向依次布设。进行隧道围岩应力解除时，首先在围岩的高应力集中区钻设应力解除爆破孔，然后在应力解除爆破孔内设置所述定向聚能环，接着在所述定向聚能环内设置炸药并封堵所述定向聚能环的开口，最后在安全距离外进行爆破，进而解除隧道围岩的应力。在进行爆破时，爆破能量从所述通孔释放，以实现应力解除爆破孔的爆破，且爆破能量易从所述聚能槽处破坏所述环本体，进而释放能量，如此，从多个所述通孔和多个所述聚能槽释放的能量，对应力解除爆破孔形成网状切割，使应力解除爆破孔被均匀破坏，进行更好释放隧道围岩高应力集中区的应力，有效预防岩爆的发生，保证施工人员和设备的安全以及施工进度按计划进行。附图说明 [0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。 [0031] 图1为本发明提供的定向聚能环的一实施例的立体结构示意图； [0032] 图2为本发明提供的隧道围岩应力解除爆破方法一实施例的流程示意图； [0033] 图3为本发明提供的隧道应力解除爆破孔的结构示意图； [0034] 图4为图3中A处的剖视图； [0035] 图5为本发明提供的三维数值计算网络模型的结构示意图。 [0036] 附图标号说明： [0037]标号 名称 标号 名称 1 定向聚能环 112a 通孔 11 环本体 2 应力解除爆破孔 111 聚能槽 3 三维数值计算网络模型 112 释能区 31 模型单元 [0038] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 具体实施方式[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0040] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。 [0041] 另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。 [0042] 岩爆是水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中围岩发生的一种剧烈动力破坏现象，是开挖诱发的开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石的应变能的突然释放，往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，可造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，影响施工进度，还会造成超挖、初期支护失效等问题。目前，隧道岩爆的防预方法是在隧道围岩钻孔后安放炸药进行爆破，但直接在围岩孔进行爆破，能力量过于集中，围岩孔破坏程度不均，导致隧道围岩的岩爆预防效果差。 [0043] 鉴于此，本发明提出一种定向聚能环，在进行爆破时，爆破能量从所述通孔释放，以实现应力解除爆破孔的爆破，且爆破能量易从所述聚能槽处破坏所述环本体，进而释放能量，如此，多个所述通孔和多个所述聚能槽释放的能量，对应力解除爆破孔形成网状切割，使应力解除爆破孔被均匀破坏，进行更好释放隧道围岩高应力集中区的应力，有效预防岩爆的发生，保证施工人员和设备的安全，以及施工进度按计划进行。图1所示，为本发明提供的定向聚能环的一实施例。 [0044] 如图1所示，本发明提出的所述定向聚能环1包括环本体11，所述环本体11的外侧面局部凹设形成有沿其长度方向延伸的聚能槽111，所述聚能槽111设置多个，且沿其周向间隔布设，所述环本体11具有处在相邻两个所述聚能槽111之间的释能区112，每一所述释能区112设有多个通孔112a，多个所述通孔112a沿所述环本体11的长度方向依次布设。 [0045] 本发明的技术方案中，所述定向聚能环1包括环本体11，所述环本体11的外侧面局部凹设形成有沿其长度方向延伸的聚能槽111，所述聚能槽111设置多个，且沿其周向间隔布设，所述环本体11具有处在相邻两个所述聚能槽111之间的释能区112，每一所述释能区112设有多个通孔112a，多个所述通孔112a沿所述环本体11的长度方向依次布设。进行隧道围岩应力解除时，首先在围岩的高应力集中区钻设应力解除爆破孔2，然后在应力解除爆破孔2内设置所述定向聚能环1，接着在所述定向聚能环1内设置炸药并封堵所述定向聚能环1的开口，最后在安全距离外进行爆破，进而解除隧道围岩的应力。在进行爆破时，爆破能量从所述通孔112a释放，以实现应力解除爆破孔2的爆破，且爆破能量易从所述聚能槽111处破坏所述环本体11，进而释放能量，如此，从多个所述通孔112a和多个所述聚能槽111释放的能量，对应力解除爆破孔2形成网状切割，使应力解除爆破孔2被均匀破坏，进行更好释放隧道围岩高应力集中区的应力，有效预防岩爆的发生，保证施工人员和设备的安全，以及施工进度按计划进行。 [0046] 本发明实施例提供一种隧道围岩应力解除爆破方法，参照图2，图2为本发明提供的隧道围岩应力解除爆破方法的一实施例的流程示意图，图3为本发明提供的隧道应力解除爆破孔的结构示意图；图4为本发明提供的三维数值计算网络模型的结构示意图。 [0047] 本发明还提出一种隧道围岩应力解除爆破方法，包括以下步骤： [0048] 步骤S1、确定隧道掌子面区域围岩的应力分布参数，其中，所述应力分布参数包括应力集中的空间位置以及应力数值； [0049] 步骤S2、确定具有大于预设应力数值的应力集中的空间位置为待爆破应力集中的空间位置； [0050] 步骤S3、在所述待爆破应力集中的空间位置处钻设应力解除爆破孔2； [0051] 步骤S4、对应在所述应力解除爆破孔2内设置定向聚能环1，其中，所述定向聚能环1设置为如上所述的定向聚能环1； [0052] 步骤S5、在所述定向聚能环1内设置炸药进行定向爆破。 [0053] 为防止隧道开挖后隧道内发生岩爆，威胁施工人员和设备的安全并影响施工进度，需解除隧道围岩的应力，进行隧道岩爆预防。在隧道开挖后，先确定隧道掌子面区域围岩的应力分布参数，然后将已确定的所述隧道掌子面区域围岩的应力分布参数与预设应力数值进行比较，并将隧道围岩中大于预设应力数值的应力集中的空间位置设为待爆破应力集中的空间位置，接着在所述待爆破应力集中的空间位置处钻设应力解除爆破孔2，并对应在所述应力解除爆破孔2内设置所述定向聚能环1，最后在所述定向聚能环1内设置炸药进行定向爆破。如此，通过定向爆破解除隧道围岩高应力集中区的应力，有效预防岩爆的发生，保证施工人员和设备的安全以及施工进度按计划进行。需要说明的是，预设应力数值根据施工安全的需求设定。 [0054] 进一步地，在本实施例中，步骤S1包括： [0055] 步骤S11、获取隧道围岩消能洞段的工程地质参数； [0056] 步骤S12、建立模拟隧道开挖过程的三维数值计算网络模型3； [0057] 步骤S13、在三维数值计算软件中，以工程地质参数为约束条件对所述三维数值计算网络模型3进行处理和设置，以模拟隧道开挖和支护的施工过程； [0058] 步骤S14、根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，确定隧道掌子面区域的围岩的应力分布参数。 [0059] 在隧道开挖后，根据隧道围岩的岩体类型，确定隧道围岩消能洞段的工程地质参数，即确定隧道掌子面区域围岩的相关工程地质参数，然后在三维数值计算软件中，以工程地质参数为约束条件对所述三维数值计算网络模型3进行处理和设置，进而模拟隧道开挖和支护的施工过程，并根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，最终确定隧道掌子面区域的围岩的应力分布参数。需要说明的是，在本发明中确定隧道掌子面区域围岩的应力分布参数过程中，使用的三维数值计算软件为LS‑DYNA，根据实际需求也可以是其他岩体工程用分析软件。 [0060] 具体地，在本实施例中，所述工程地质参数包括岩体初始地应力、岩体力学参数以及隧道几何尺寸。根据隧道施工地的岩体类型，确定岩体力学特性与岩体力学参数和岩体初始地应力。根据隧道设计方案确定隧道几何结构、尺寸以及隧道开挖与支护的施工方案，将岩体初始地应力、岩体力学参数以及隧道几何尺寸数据输入三维数值计算软件。在三维数值计算软件中，以岩体初始地应力、岩体力学参数以及隧道几何尺寸为约束条件，对所述三维数值计算网络模型3进行处理，进而模拟隧道开挖和支护的施工过程。通过输入岩体初始地应力数据，以使三维数值计算网络模型3模拟施工前隧道岩体受力情况，如此，通过三维数值计算网络模型3模，高度还原隧道开挖和支护的实际施工情况，进而获得更准的隧道掌子面区域围岩的应力分布参数，精准确定隧道掌子面区域应力集中的空间位置，提高隧道应力解除的效果。 [0061] 为保证通过三维数值计算网络模型3得到的隧道围岩应力分布参数的准确性，对三维数值计算网络模型3的尺寸参数进行限定。在本实施例中，所述三维数值计算网络模型3包括多个模型单元31，其中，在所述三维数值计算网络模型3中模拟隧道的一倍洞径范围内，每一所述模型单元的等效尺寸小于等于隧道等效直径的1/20，且所述三维数值计算网络模型3的外边界尺寸大于等于隧道等效直径的6倍。多个所述模型单元共同组成所述三维数值计算网络模型3，在所述三维数值计算网络模型3中模拟隧道的一倍洞径范围内，即模拟隧的洞口向外小于等于洞口洞径范围内的单个所述模型单元的等效尺寸小于等于隧道等效直径的1/20，并且所述三维数值计算网络模型3的外边界尺寸大于等于隧道等效直径的6倍。通过限定所述三维数值计算网络模型3中模拟隧道的一倍洞径范围内的所述模型单元的尺寸，以及所述三维数值计算网络模型3的外边界尺寸，以保证最终获得的隧道掌子面区域围岩的应力分布参数的精度，进而精准确定隧道掌子面区域应力集中的空间位置，提高隧道应力解除的效果。 [0062] 进一步地，在本实施例中，步骤S14包括： [0063] 步骤S141、根据隧道开挖和支护的施工过程的计算机模拟结果，分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，确定隧道掌子面区域的围岩的应力集中位置； [0064] 步骤S142、截取隧道掌子面区域应力集中位置处不同角度和方向的剖面图； [0065] 步骤S143、根据所述剖面图，确定道掌子面区域的应力集中的空间位置以及应力数值。 [0066] 在隧道开挖和支护的施工过程模拟完成后，根据模拟结果分析隧道掌子面区域的围岩应力特征，进而确定隧道掌子面区域的围岩的应力集中位置，通过截取隧道掌子面区域应力集中位置处不同角度、不同方向的剖面图，进而根据所述剖面图，确定隧道掌子面区域的应力集中的空间位置以及应力数值，并根据应力集中的空间位置以及应力数值，确定隧道掌子面区域最大应力集中的空间位置和应力集数值，如此，隧道掌子面区域最大应力集中的空间位置即为所述待爆破应力集中的空间位置。 [0067] 具体地，在本实施例中，所述应力解除爆破孔2的孔深为H，待爆破应力集中的空间位置的岩体深度为S，H≥S。将所述应力解除爆破孔2的孔深H设置为大于等于待爆破应力集中的空间位置的岩体深度S，从而使所述应力接触爆破孔，穿透隧道掌子面区域待爆破应力集中的空间位置的岩层，以提升爆破解除应力的效果。 [0068] 具体地，在本实施例中，所述应力解除爆破孔2设有三个，三个所述应力解除爆破孔2不共线布设，且三个所述应力解除爆破孔2的中心轴线相互平行。通过在隧道掌子面区域待爆破应力集中的空间位置，设置三个不共线的所述应力解除爆破孔2，使待爆破应力集中的空间位置具有足够的所述应力解除爆破孔2，保证待爆破应力集中的空间位置岩层有效爆破，提高爆破解除应力的效果。 [0069] 更具体地，在本实施例中，任意两个所述应力解除爆破孔2之间的距离相等。通过使任意两个所述应力解除爆破孔2之间的距离相等，以使三个所述应力解除爆破孔2连线形成等边三角形，保证待爆破应力集中的空间位置岩层有效爆破。 [0070] 进一步地，在本实施例中，步骤S5包括： [0071] 步骤S51、在所述定向聚能环1内设置炸药； [0072] 步骤S52、封堵所述定向聚能环1的开口； [0073] 步骤S53、在安全距离外起爆，进行定向爆破。 [0074] 爆破时，在所述定向聚能环1内设置炸药，并安置起爆炸药的电雷管，然后封堵所述定向聚能环1的开口，在爆破规程规定的安全距离外起爆，进行定向爆破，以解除隧道围岩高应力集中区的应力。 |
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