地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法

本发明涉及地下工程，特别是涉及地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法。

背景技术：

1、地下工程围岩开挖后，由于地应力超过围岩强度，导致围岩产生塑性变形和破坏，进而在巷道周边形成一个松弛破碎带。破碎范围大小直接影响地下工程的支护设计，破碎范围越大，支护越困难。进行破碎范围探测对于巷道的支护设计以及保障工人安全具有重要意义。

2、目前，破碎范围现场探测方法主要包括钻孔摄像法、地质雷达法、声波探测法等。钻孔摄像法是由探测人员对钻孔窥视图像进行裂隙辨识，从而确定孔内裂隙位置、数量、

3、宽度等特征，该方法缺乏客观评价标准；地质雷达法是依据高频电磁波在介质中的时间、传播速度等关键参数间接获取围岩破碎范围，该方法探测结果易受环境影响。声波探测法是由探测人员对声波信号进行解析，从而确定岩体结构面、破碎带等结构特征，该方法需要多次探测寻找最佳探测点位、工序较为繁琐，效率较低。

4、基于此，发明人发现目前围岩破碎范围探测方法在实际应用中仍存在显著的技术难题，面临缺乏客观评价标准，探测结果易受环境影响，施工工序较为繁琐等问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，该方法结合随钻探测方法与声波探测方法。首先，采用声发射－接收集成钻杆开展围岩原位随钻探测，在每个围岩断面内进行多点位探测，初步从钻孔尺度确定断面围岩破碎范围。基于此，结合声波探测方法，明确断面内各钻孔间围岩破碎情况。其次，在围岩断面间建立探测站－接收站，精细刻画沿巷道走向的围岩三维破碎范围。最终，形成围岩破碎范围评价标准，为围岩支护设计提供数据支撑。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，包括如下步骤：

4、在每个巷道围岩断面开展围岩原位随钻探测，获得各个断面的随钻参数，基于所述的随钻参数确定弹性模量

e与单轴抗压强度

σ；

5、根据所述弹性模量

e与单轴抗压强度

σ的随钻深变化情况，确定钻孔范围内的围岩断面破碎范围；

6、在原位随钻探测过程中，对随钻探测断面进行声波探测，获取声波信号；根据不同声波探测点位之间的波速变化曲线，确定钻孔间的围岩断面破碎范围；

7、根据钻孔范围内的围岩断面破碎范围以及钻孔间的围岩断面破碎范围确定围岩破碎的边界，根据边界建立围岩破碎评价标准；

8、根据围岩破碎范围评价标准，在围岩不同断面间建立声波探测站－接收站，探测沿巷道走向的围岩破碎情况，精细连续刻画巷道围岩破碎范围。

9、作为进一步的技术方案，所述的随钻参数包括钻进压力

f、钻进扭矩

m、钻头钻速

v和钻头转速

n四类随钻参数。

10、作为进一步的技术方案，随钻探测钻入径向深度仅需至弹性模量

e与单轴抗压强度

σ出现明显变化，钻孔点位根据巷道关于几何中心轴对称的假设进行对称布置。

11、作为进一步的技术方案，将获取的随钻参数，输入钻机内部预设的基于

pso-svm-

rf粒子群算法的神经网络模型，进行围岩弹性模量

e与单轴抗压强度

σ的预测。

12、作为进一步的技术方案，所述的声波探测采用声发射－接收集成钻杆进行声波探测。

13、作为进一步的技术方案，所述的声发射－接收集成钻杆钻入指定深度之后在原位直接开展声波探测法测试，在巷道顶板几何中心随钻点位布置超声波发射测站，巷道两角、两帮几何中心点随钻点位布置超声波接收测站。

14、作为进一步的技术方案，所述的声波探测根据围岩原位探测得出的破碎范围进行布置，其中，发射测站中，声发射－接收集成钻杆顶端超声波发射装置分别布置在围岩原位探测所得破碎临界范围内部和外部；接收测站中，声发射－接收集成钻杆顶端超声波接收器置于围岩原位探测所得破碎临界范围边界上。

15、作为进一步的技术方案，所述的围岩破碎评价标准如下：

16、若围岩破碎范围的边界距孔口径向距离h=a~b m，称为稳定围岩；

17、若围岩破碎范围的边界距孔口径向距离h=b~c m，称为一般围岩；

18、若围岩破碎范围的边界距孔口径向距离h=c~d m，称为不稳定围岩；

19、若围岩破碎范围的边界距孔口径向距离h≥d m，称为极不稳定围岩；

20、其中，a≤b≤c≤d，且a、b、c、d分别为设定的距离值，m为距离单位米。

21、作为进一步的技术方案，所述步骤4中在断面间建立探测站－接收站的方法采用双孔法，在本断面巷道顶板、单侧肩部与肩部同侧的帮部设置声波发射测站，在下一断面的同点位位置设置声波接收测站。

22、作为进一步的技术方案，不同断面间的测站相对距离应根据所述的围岩破碎范围评价标准进行确定，包括：

23、若本断面评级为稳定围岩，则与下一断面相对距离可取≤e m；

24、本断面评级为一般围岩，则与下一断面相对距离可取≤f m；

25、本断面评级为不稳定围岩，则与下一断面相对距离可取≤g m；

26、本断面评级为极不稳定围岩，则与下一断面相对距离可取≤h m；

27、其中：e≥f≥g≥h；且e、f、g、h分别代表设定的距离值，m为距离单位米。

28、上述本发明的有益效果如下：

29、本发明提出的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，结合随钻探测方法与声波探测方法，声波探测是在随钻探测的原位开展声波探测，在每个断面内进行多点位的随钻探测和声波探测，进而形成断面内的围岩断面破碎范围，然后在不同断面之间再进行声波探测，进而将探测面连接在一起形成一个空间范围内的三维围岩破碎范围，精准刻画巷道围岩破碎范围；且本发明能够同时实现围岩参数获取和破碎范围探测，根据围岩破碎等级评价结果对断面间的声波探测站－接收站进行设置，最终测得巷道完整围岩破碎范围，方法简单，操作性强，成本低；本发明无需接排水、通风管道、不受塌孔等因素的影响，在破碎围岩的地质情况下也能保证工作。对提高工作效率、节省人力物力有重要影响。

1.地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，如下：

2.根据权利要求1所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，所述的随钻参数包括钻进压力f、钻进扭矩m、钻头钻速v和钻头转速n四类随钻参数。

3.根据权利要求1所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，随钻探测钻入径向深度仅需至弹性模量e与单轴抗压强度σ出现明显变化，钻孔点位根据巷道几何中心轴对称布置。

4.根据权利要求1所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，将获取的随钻参数，输入钻机内部预设的基于pso-svm-rf粒子群算法的神经网络模型，进行围岩弹性模量e与单轴抗压强度σ的预测。

5.根据权利要求1所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，所述的声波探测采用声发射－接收集成钻杆进行声波探测。

6.根据权利要求5所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，所述的声发射－接收集成钻杆钻入指定深度之后在原位直接开展声波探测法测试，在巷道顶板几何中心随钻探测点位布置超声波发射测站，巷道两角、两帮几何中心点随钻探测点位布置超声波接收测站。

7.根据权利要求6所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，所述的声波探测根据围岩随钻探测得出的破碎范围进行布置，其中，钻杆顶端超声波发射装置分别布置在围岩原位探测所得破碎临界范围内部和外部；钻杆顶端超声波接收器置于围岩原位探测所得破碎临界范围边界上。

8.根据权利要求1所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，所述的围岩破碎评价标准如下：

9.根据权利要求8所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，在断面间建立探测站－接收站的方法采用双孔法，在本断面巷道顶板、肩部与帮部设置声波发射测站，在下一断面的相同位置设置声波接收测站。

10.根据权利要求8所述的地下工程围岩破碎范围随钻探测与分类评价方法，其特征在于，不同断面间的测站相对距离应根据所述的围岩破碎评价标准进行确定，包括：