基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及基于能量法的非煤地层隧道岩石突 出安全厚度处理方法。


背景技术：

2.隧道施工发生气体与岩体爆突可导致掌子面坍塌，突出物侵入隧道空间，造 成隧道支护结构破坏，施工机械破损，突出的大量气体可能导致人员窒息，甚至 爆炸。隧道施工中突出事故较多的是煤与瓦斯突出，现有大量关于煤层隧道瓦斯 突出的研究并借鉴煤矿开采经验，一些特殊技术已用于隧道施工中防止煤与瓦斯 突出。为预测硬煤矿床“nowa ruda pole piast wacaw-lech”岩石和瓦斯突出 造成的成本，使用带有"xgboost"机器学习方法的随机森林算法建立了瓦斯和岩 石突出程度的预测模型，该模型可预测岩石和瓦斯突出范围，突出范围预测与突 出的岩石质量、气体体积和突出腔体长度有关。
3.当前认为地应力、岩石力学参数和气体压力等综合因素导致突出发生。探讨 了岩石与co2突出机制，建立了岩石与co2突出物理模型，分析了岩石与co2 突出过程、力学环境，指出基于煤与瓦斯突出的关键结构体理论适用于非煤地层 的岩石与气体突出，同时利用能量法建立了岩石与co2突出判据。研究深入研究 了瓦斯与岩石突出的机理，指出突出的能量源自于岩石弹性变形能、瓦斯膨胀能 和岩石重力势能。测量了地应力、岩石力学参数测试和co2气体压力，并采用数 值软件计算了隧道应力场分析，从力学角度探讨了突出机理。skoczylas,n通过咨 询从事评估和预测瓦斯与岩石突出的专家获取相关知识和经验，然后基于模糊逻辑建立估算 瓦斯与岩石突出风险的专家系统，接着为预测硬煤矿床“nowa ruda pole piast wacaw-lech
”ꢀ
岩石和瓦斯突出造成的成本，使用带有"xgboost"机器学习方法的随机森林算法建立了瓦斯 和岩石突出程度的预测模型，得到的模型可预测岩石和瓦斯突出范围，突出范围预测与突出 的岩石质量、气体体积和突出腔体长度有关。
4.近几年来由于深地空间的发展，气体与岩石突出造成的损失及危害已不能忽 略，或者说气体与岩石突出已成为深地空间的主要灾害之一，而受到人们的重视， 开始将数学方法引入气体与岩石突出预测应用技术方面。然而，现有的研究成果 主要研究突出发生的地质环境和突出预测预防，而对非煤地层隧道高压气体与岩 石突出的研究以及相关的预防很少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理 方法，解决现有技术中无法有效实现对非煤地层的气体与岩石突出进行计算的问 题。
6.本发明的目的通过以下述技术方案来实现，基于能量法的非煤地层隧道岩石 突出安全厚度处理方法，包括以下步骤：
7.s1、对掘进的隧道进行基本假设限定；
8.s2、根据能量守恒原理建立气体压力与岩体最小防突厚度的关系式；
9.s3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；
10.s4、通过flac3d软件验证计算结果的正确性。
11.需要说明的是，将用于突出机理研究的综合法——能量法引入隧道工程非煤 地层气体与岩石突出机理的研究，对非煤地层气体与岩石突出进行研究，得到非 煤地层气体与岩石突出的机理，实现对非煤地层气体与岩石突出相应的预防与补 救措施。
12.进一步的是，所述s1中的基本假设包括以下内容：
13.s101、假设隧道掘进断面为圆形；
14.s102、假设突出的主要能量来自于气体膨胀能和突出岩体的弹性潜能；
15.s103、假设岩体的破坏符合莫尔
–
库仑准则；
16.s104、假设岩体符合弹性力学相关假设；
17.s105、假设突出是将突出终止线前方岩体全部推出。
18.需要说明的是，由于能量法需要考虑岩石物理力学性质、气体岩体和地应力 等综合因素对突出的影响，固收现做出相应的假设，以实现先一步的研究。
19.进一步的是，所述s2主要考虑新表面生成所需的表面能和抛掷岩体所需的 动能,具体包括：
20.s201、根据能量守恒原理，得计算表达式(1)；
21.e2 w＝e1 aiꢀꢀ
(1)
22.其中，e2为气体膨胀做功，w为突出岩体弹性潜能、e1为新表面生成所需 的表面能、ai(i＝1，2)为抛掷岩体所需的动能
23.突出过程中气体与岩体的质量守恒表达式(2)为：
24.m＝ρ
1v1
＝ρ
2v2
ꢀꢀ
(2)；
25.其中，m为突出岩体的质量。ρ1为岩体抛出前的平均密度，v1为岩体抛出 前的体积，ρ2为岩体抛出后的平均密度，v2为岩体抛出的后的堆积体积。
26.其中，所述s2还包括s202、新表面生成所需的表面能e1为岩体破碎成一定 块度必须消耗一定的能量，假设岩体破碎后的颗粒为圆球形，则新表面生成所需 的表面能表达式(3)为
27.e1＝ev1＝6w∑(γi1/di)v1ꢀꢀ
(3)
28.其中，e为破碎比功，i表示破碎比，v1为突出前岩体体积，γi为含量百分数， di为颗粒粒度，w表示建立单位新表面积所花费的包括损失的能量。
29.需要时说明的是，上述为计算破碎功的方法。
30.其中，所述s2还包括s203、新表面生成所需的表面能1为岩体破碎成一 定块度必须消耗一定的能量，致密岩石不用考虑气体解吸对膨胀能的影响，高压 气体膨胀做功2的表达式(4)为
31.e2＝w＝p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]
ꢀꢀ
(4)
[0032]
其中，p1为岩层高压气体压力，v1为岩层高压气体体积，p2为突出产生后 采掘工作面的高压气体压力，v2为突出产生后采掘工作面的高压气体体积，n为 过程指数。
[0033]
需要时说明的是，上述为气体内能的计算方法。
[0034]
其中，所述s2还包括s204、突出主要的能量来源为突出岩体中的弹性应变 能，
[0035]
岩体内的岩体在一定区域内能量的表达式(5)为：
[0036]
w＝∫
vs
uedv
ꢀꢀ
(5)
[0037]
其中，vs为突出岩体在突出前的体积，e为突出前岩体的弹性模量。
[0038]
需要时说明的是，上述为岩体弹性潜能的计算方法。
[0039]
其中，所述s2还包括s205、不考虑施工对工作面前方岩体扰动造成的影响， 岩体厚度的表达式(6)为：
[0040]
l＝{6w∑(γi1/di)v
1-p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]}/(s
×
ue)
ꢀꢀ
(6)
[0041]
其中，s为突出部分岩体断面面积。
[0042]
需要时说明的是，上述为上述为抛出功的计算方法。
[0043]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：突出过程的能量来源 为岩体弹性潜能和气体膨胀功，耗能部分主要是岩体破碎功和抛出功，突出的临 界条件是只有岩体破碎功耗能，以得到了高压气体爆突防突安全厚度公式，高压 气体气压对岩体最小安全厚度影响大；能量法考虑了地应力、气体压力和围岩岩 石物理力学性质对突出的影响，考虑影响突出的因素较为全面。利用flac3d软 件反演红豆山斜井高压气体爆突时气体压力为7.5mpa，与实际相符，验证了公 式的适用性。研究申请所述的方法可以为非煤地层隧道中高压气体防突提供思路， 有效减少突出事故发生。
附图说明
[0044]
无
具体实施方式
[0045]
实施例1：
[0046]
本实施例提供了基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，该 基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法主要用于解决现有技术 无法有效实现对非煤地层的气体与岩石突出进行计算的问题，该基于能量法的非 煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法已经处于实际使用阶段。
[0047]
本技术通过以下实施例进行，基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度 处理方法，其包括以下步骤：
[0048]
s1、对掘进的隧道进行基本假设限定；
[0049]
s2、根据能量守恒原理建立气体压力与岩体最小防突厚度的关系式；
[0050]
s3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；
[0051]
s4、通过flac3d软件验证计算结果的正确性。
[0052]
需要说明的是，关于气体与岩石突出前岩体的最小厚度，将用于突出机理研 究的综合法——能量法引入隧道工程非煤地层气体与岩石突出机理的研究，能量 法考虑了岩石物理力学性质、气体岩体和地应力等综合因素对突出的影响。当隧 道掘进时，掌子面前方处于原始应力状态的岩体受力平衡被打破，依次出现应力 降低区、应力集中区和原始应力区，岩体中应力突然变化导致岩体高速破坏，岩 体在岩体弹性潜能和气体膨胀能作用下发生体位移。地应力主要起着破碎岩体的 作用，气体膨胀能起着破碎岩体和搬运突出物的作用，从能量的数量级而论气体 膨胀能占主要部分。
[0053]
所述s1中的基本假设包括以下内容：
[0054]
s101、假设隧道掘进断面为圆形；
[0055]
s102、假设突出的主要能量来自于气体膨胀能和突出岩体的弹性潜能；
[0056]
s103、假设岩体的破坏符合莫尔
–
库仑准则；
[0057]
s104、假设岩体符合弹性力学相关假设；
[0058]
s105、假设突出是将突出终止线前方岩体全部推出。
[0059]
需要说明的是，需要确定破碎功、气体内能、岩体的弹性潜能、抛出功。
[0060]
破碎功的计算方法为：所述s2主要考虑新表面生成所需的表面能和抛掷岩 体所需的动能,具体包括：s201、根据能量守恒原理，得计算表达式(1)；
[0061]
e2 w＝e1 aiꢀꢀ
(1)
[0062]
其中，e2为气体膨胀做功，w为突出岩体弹性潜能、e1为新表面生成所需 的表面能、ai(i＝1，2)为抛掷岩体所需的动能
[0063]
突出过程中气体与岩体的质量守恒表达式(2)为：
[0064]
m＝ρ
1v1
＝ρ
2v2
ꢀꢀ
(2)；
[0065]
其中，m为突出岩体的质量。ρ1为岩体抛出前的平均密度，v1为岩体抛出 前的体积，ρ2为岩体抛出后的平均密度，v2为岩体抛出的后的堆积体积。
[0066]
需要说明的是，隧道中气体与岩体突出中主要提供突出的能量为气体膨胀做 功和突出岩体弹性潜能。突出发动过程需要消耗的能量主要有：声能、内表面滑 移产生的热量、新表面生成所需的表面能、突出路径中的局部阻力耗能、摩擦阻 力耗能、突出路径中撕裂和抛掷岩体所需动能、高压气体突出进入空气时所需最 小速度对应的剩余动能等。
[0067]
在本实施例中，所述s2还包括s202、新表面生成所需的表面能e1为岩体破 碎成一定块度必须消耗一定的能量，假设岩体破碎后的颗粒为圆球形，则新表面 生成所需的表面能表达式(3)为
[0068]
e1＝ev1＝6w∑(γi1/di)v1ꢀꢀ
(3)
[0069]
其中，e为破碎比功，i表示破碎比，v1为突出前岩体体积，γi为含量百分数， di为颗粒粒度，w表示建立单位新表面积所花费的包括损失的能量。
[0070]
详细的，将岩体破碎成一定块度必须消耗一定的能量。岩体从块度d，破碎 到块度d，以i表示其破碎比，即表达式(301)：
[0071]
i＝d/d
ꢀꢀ
(301)
[0072]
破碎比越大，破碎单位体积岩石所需之功也将越多，即破碎比功e也将越多。 采用新表面说求解突出岩体的破碎功，新表面说认为物体破碎前后，有所区别的 只是增加了新表面，而获得新表面所需之能和破碎功成正比例。块度由d破碎到 d，单位体积物体所具有的表面积变化是和(1/d-1/d)成正比例的。因此，破碎 比功如式(302)所示：
[0073]
e＝kr(1/d-1/d)
ꢀꢀ
(302)
[0074]
其中，kr为取决于材料性质及破碎方法的常数，需要说明的是，岩体越坚硬 破碎耗功越多，用破碎比i表示，则如(303)式得：
[0075]
e＝kr/d(i-1)
ꢀꢀ
(303)
[0076]
进一步的，计算破碎比功时，要用各块度(粒度)以其含量的倒数加权平均法 来计算平均块度，当破碎比很大即(1/d)较(1/d)很小时，则(1/d)可略去 不计，则式(303)能够
写成式(304)所示：
[0077]
e＝kr/d
ꢀꢀ
(304)
[0078]
进一步的，假设把颗粒看成圆球形，单位体积具有的表面积是6/d，以w表 示建立单位新表面积所花费的能量，其中包括损失的能量，则式(304)能够写 成式(305)所示：
[0079]
e＝6w∑(γi1/di)
ꢀꢀ
(305)
[0080]
故，由质量守恒、破碎比结合实验室shpb试验，则能够得到破碎岩破碎表 面能耗表达式(3)：
[0081]
e1＝ev1＝6w∑(γi1/di)v1ꢀꢀ
(3)
[0082]
在本实施例中，气体内能的计算方法：所述s2还包括s203、新表面生成所 需的表面能为岩体破碎成一定块度必须消耗一定的能量，致密岩石不用考虑气体 解吸对膨胀能的影响，高压气体膨胀做功的表达式(4)为：
[0083]
e2＝w＝p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]
ꢀꢀ
(4)
[0084]
其中，p1为岩层高压气体压力，v1为岩层高压气体体积，p2为突出产生后 采掘工作面的高压气体压力，v2为突出产生后采掘工作面的高压气体体积，n为 过程指数。
[0085]
进一步的，突出瞬间气体赋存于岩体内，气体膨胀所需的热能来自于岩体内 部，因为岩体的热容量与导热性都比较大，同时地应力破裂岩体时有一部分弹性 能转化为热能，可以供给气体作膨胀之用，这时膨胀气体的内能可按等温过程计 算；当破碎岩体从母体脱离后，膨胀气体的内能属于多变过程，而最后接近于绝 热过程。这是因为此时岩层中的气体处于热膨胀状态，并且，膨胀气体来不及与 外界产生热量交换。根据热力学第一定律式(401)所示：
[0086]
dq＝de2 pdv
ꢀꢀ
(401)
[0087]
进一步的，绝热过程中系统与外界的能量交换为0，则式(401)能够用(402) 表示：
[0088]
de2 pdv＝0或dw＝pdv＝-de2ꢀꢀ
(402)
[0089]
进一步的，在绝热过程中，只有通过岩层中气体内能的变化，才可能向外界 做功w。由热力学可知温度变化时，岩层气体内能的变化关系为(403)所示：
[0090]
de2＝mcγdt/u
ꢀꢀꢀꢀ
(403)
[0091]
其中，m为气体的质量，u为分子量，c
γ
为气体的定容分子热容量，t为绝 对温度。
[0092]
进一步的，气体向外做的功，即气体的膨胀能，其表达式为(404)所示：
[0093]
w＝∫dw＝-∫
t1t2
mcγ/udt＝m/u
·
cγ(t
1-t2)
ꢀꢀꢀꢀ
(404)
[0094]
需要说明的是，在本领域中，隧道开挖中测定岩层气体压力比较容易些，因 此，可以根据气体在绝热平衡过程中，气体压力p、气体体积v以及气体温度t 之间的相互关系得到气体压力p的表达式，即p、v、t之间表达式为(405)、 (406)、(407)、(408)所示：
[0095]
p
1v1n
＝p
2v2n
ꢀꢀꢀꢀ
(405)
[0096]v1n-1
t1＝v
2n-1
t2ꢀꢀꢀꢀ
(406)
[0097]
p
1n-1
t
1-n
＝p
2n-1
t
2-n
ꢀꢀꢀꢀ
(407)
[0098]
n＝c
p
/c
γ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(408)
[0099]
其中，p1为岩层高压气体压力，v1为岩层高压气体体积，t1为岩层高压气 体温度；p2为突出产生后采掘工作面的高压气体压力，v2为突出产生后采掘工 作面的高压气体体积，t2为突出产生后采掘工作面的气体温度；n为过程指数， c
p
为气体的定压分子热容量。
[0100]
故，高压气体膨胀做功的表达式(4)为：
[0101]
e2＝w＝p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0102]
在本实施例中，岩体弹性潜能的计算方法：所述s2还包括s204、突出主要 的能量来源为突出岩体中的弹性应变能，
[0103]
岩体内的岩体在一定区域内能量的表达式(5)为
[0104]
w＝∫
vsue dv
ꢀꢀ
(5)
[0105]
其中，vs为突出岩体在突出前的体积，e为突出前岩体的弹性模量。
[0106]
需要说明的是，巷道开挖会造成前方应力重分布，依次形成应力降低区、应 力集中区和原始应力区，随着开挖逐步向前推进，掌子面前方应力变化，采动引 起的应力重新分布的精确解难以获得。另外隧道内岩体性质复杂、各向异性严重， 构造应力导致岩体内应力分布不均匀。能量释放区域的干扰因素多，与地应力、 岩体物理力学性质等相关，完全符合现场的能量推导不切实际，也不具备普遍代 表性。突出岩体周围的岩体为突出提供的能量少，突出主要的能量来源为突出岩 体中的弹性应变能，因此，在s1假设下进行岩体弹性潜能计算是合理的。岩体 中存储的能量以弹性变形能和塑性变形能的形式存在，岩体中的能量只有弹性变 形能才具有对外做功的能力，岩体内的岩体弹性变形能量密度公式为(501)所 示：
[0107]
ue＝1/2e[(σ
12
σ
22
σ
32
)-2μ(σ1·
σ2 σ1·
σ3 σ2·
σ3)]
ꢀꢀ
(501)
[0108]
故，岩体内的岩体在一定区域内能量的表达式(5)为：
[0109]
w＝∫
vsue dv
ꢀꢀ
(5)
[0110]
其中，vs是突出岩体在突出前的体积，σ1为突出前岩体内的第一主应力、 σ2为突出前岩体内的第二主应力，σ3为突出前岩体内的第三主应力，e为突出前 岩体的弹性模量，μ为突出前岩体的泊松比。
[0111]
需要说明的是，突出岩体的应力分布难以获得时，可近似采用岩体内应力最 大区域的应力各个应力进行岩体弹性潜能计算，此时计算的弹性潜能较大，会导 致后期计算的安全厚度相较于精确值大，在均匀分布应力假设下计算的弹性潜能 可能比实际大。
[0112]
在本实施例中，抛出功的计算方法：所述s2还包括s205、不考虑施工对工 作面前方岩体扰动造成的影响，岩体厚度的表达式(6)为
[0113]
l＝{6w∑(γi1/di)v
1-·
p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]}/(s
×
ue)
[0114]
其中，s为突出部分岩体断面面积。
[0115]
需要说明的是，破碎岩体在突出过程中转换为岩体在巷道中移动的移动功、 气流和岩体撞击巷道壁、支架及其他障碍物的摩擦热、声能、震动等能量，巷道 越直，洞内障碍物越少，岩体在巷道中抛掷越远，其中以岩体移动耗能为主。当 突出强度大时，突出物堆积满整个巷道，堆积面位置的计算公式为(601)所示：
[0116][0117]
其中，r为巷道高度，
[0118]
进一步的，当突出强度较小，突出物不能填满整个巷道，此时抛出岩体与抛 出位置的关系为式(602)所示：
[0119]
f(x)＝-tanα2·
x |of|
·
tanα2·
x
ꢀꢀ
(602)
[0120]
根据b.b.霍多特的计算结合本文假设得到单元的抛出功表达式为(603)所 示：
[0121]
da＝xgf1dm
ꢀꢀ
(603)
[0122]
上述2种突出情况斜坡部分的煤体质量粗略计算表达式为(604)所示：
[0123]
dm＝2rρf(x)dx
ꢀꢀ
(604)
[0124]
进一步的，结合计算表达式(18)得到计算突出的表达式；
[0125]
当突出强度较大时计算式为(605)所示：
[0126]
a1＝∫
0|od|
da＝∫
0|oe|
xgf1ρ1/2πr2dx ∫
|oe||od|
xgf12rρf(x)dx
[0127]
＝1/4πgρf1r2|oe|2 2rρgf1tan
·
α1[1/3|oe|3 1/6|od|
3-1/2|od||oe|2]
ꢀꢀꢀ
(605)
[0128]
突出强度较小时抛出功为(606)所示；
[0129]
a2＝∫
0of
d4＝∫
0of
xgf12rρf(x)dx
[0130]
＝1/3rρgf1·
|of|3tanα2ꢀꢀꢀꢀ
(606)
[0131]
其中，f1为摩擦因数，ρ为突出后岩体密度，α1、α2为突出物堆积体与水平 面的夹角，|of|为堆积物长度，r为巷道高度，g为重力加速度。
[0132]
进一步的是，当提供的能量仅仅用于破碎岩体形成新的表面，此时为突出的 临界状态，根据能量守恒原则建立能量守恒式，表达式(607)，由式(607)计 算出来的岩体厚度加上开挖扰动厚度就为最小安全厚度。
[0133]
p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1] ∫
vsue dv＝sw∑(γi1/di)v1ꢀꢀ
(607)
[0134]
故，假定突出岩体内地应力均匀分布，则式(607)能够表达为式(6)：
[0135]
l＝{6w∑(γi1/di)v
1-·
p
2v2
/(n-1)[((p1/p2)
n-1
/n)-1]}/(s
×
ue)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0136]
其中，s代表突出部分岩体断面面积。
[0137]
进一步的，该式没有考虑施工对工作面前方岩体扰动造成的影响，将考虑了 施工对工作面扰动深度影响的公式为(608)如下：
[0138]
l＝l l1
ꢀꢀꢀꢀ
(608)
[0139]
其中，l——为计算得到的岩体厚度；
[0140]
l1为施工对工作面的影响深度，该深度的获得可以通过探测或数值软件计算 的方法得到。
[0141]
实施例2：
[0142]
红豆山一号斜井气体与岩石突出后气体逆行涌出洞外，突出后，地层水中残 留的co2气体压力为0.2～0.3mpa。突出气体主要为co2，其次为n2和o2，伴生气体 有h2s、nh3、so2、co等其他有害气体，经取样进行室内分析，确定该气体为 幔源成因与变质成因的混源气体。
[0143]
突出岩体在掌子面前方堆积长度最长为15m，总体积150m3；突出岩体为花 岗质糜棱岩，呈松散粉细砂状、粉末状，夹杂碎石，块石粒径10～20cm，颜色 为深灰色，突出物有积水现象，围岩为强风化花岗质糜棱岩，岩石强度略低，节 理裂隙较发育，闭合节理发育，岩体完整性差，多软弱夹层，有渗水现象。
[0144]
进一步的，现场勘察相关数据：区域内岩体的物理力学指标如表1所示，根 据现场清理突出物，发现岩体堆积物松散，粉粒、粉末占百分比大的特点，确定 突出物的密度为1.6t/m3。隧址区经历多期构造活动，区内断层发育，地层深部 气体通过断层等运移至浅部岩体破碎地带储集；因为构造活动强烈，为防止岩爆 发生进行了地应力测量，如表2所示。
研究得到中等强度岩石建立单位新表面积 需要的能量为0.1～0.12mj/m2，金刚石钻头破碎花岗岩的破碎比功在花岗岩地层 中分布情况如表3所示。
[0145]
表1红豆山突出段岩体力学指标(勘察资料)
[0146][0147]
表2红豆山一号斜井水压致裂原地应力测量结果
[0148][0149]
进一步的，本技术能量法模型应用，flac3d模型及相关条件，为消除边界 效应根据弹性力学理论，距隧道6倍半径处围岩基本在原岩应力状态下，在 flac3d软件中建模时隧道周围的围岩厚度为6倍隧道半径。物理模型中使用柱 形隧道外围渐变放射网格单元和六面块体网格单元，隧道半径设置为3m，应将 封堵岩体设置为流固耦合模型，因局部岩体设置为流固耦合在flac3d中无法 运行，故将气体压力设置为均布应力作用在岩体表面，气体压力依次设置为3mpa、 4mpa、5mpa、6mpa、7.5mpa、9mpa，岩体封堵厚度为2.6m。z轴上表面自由， 其他表面均设置为固定约束。岩体物理力学参数为花岗岩的物理力学参数如表3 所示，地应力根据实测值施加，地应力采用弹性求解法生成，然后开挖隧道，计 算封堵段岩体在不同应力水平下的变形。
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表3花岗岩物理力学参数表
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进一步的是，突出实例能量计算，突出相关参数如表4所示，根据表中数据， 计算出岩体厚度约为2.6m。利用能量法计算岩体潜能时由于获取岩体内应力分 布困难，假设上述的应力在突出岩体中均匀分布，算得突出岩体的弹性潜能为 0.55mj。破碎功和移动功计算分别列于表5、表6中。
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表4岩体突出参数表
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表5破碎功计算参数表
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表6移动功计算参数表
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由于突出前气体压力大小及突出后气体体积未能获得，通过搜集co2和岩石 突出案例，发现气体体积与突出岩体量无相关性，所以采取试算的方法计算气体 压力和气体的体积。气体过程指数大小为1.25，残余气体压力为0.25mpa；试算 后最终取气体压力为7.5mpa，气体体积为814.469m3。
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故，根据突出的相关参数反演得到花岗岩封堵厚度为2.6m，气体压强为 7.5mpa，气体体积为814.469m3。flac3d计算结果表明气体压力为3mpa时掌子 面的变形量为4.7cm，压力为4mpa时掌子面变形量为4.7cm，5mpa气体压力下 掌子面最大变形量为47cm，施加压力为6mpa时掌子面的最大变形量为4.7m，施 加超过6mpa的压力时，掌子面最大变形量维持在4.7m不变。直线斜率第一次改 变为岩石发生了破碎(隧道内出现掉块，掌子面隆起等)，直线斜率第二次改变 是比较破碎的岩石被粉碎并被抛出。
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突出过程的能量来源为岩体弹性潜能和气体膨胀功，耗能部分主要是岩体破 碎功和抛出功，突出的临界条件是只有岩体破碎功耗能，以此推导出了高压气体 爆突防突安全厚度公式，高压气体气压对岩体最小安全厚度影响大；能量法考虑 了地应力、气体压力和围岩岩石物理力学性质对突出的影响，考虑影响突出的因 素较为全面。利用flac3d软件反演红豆山斜井高压气体爆突时气体压力为7.5mpa，与实际相符，验证了公式的适用性。研究申请所述的方法可以为非煤地 层隧道中高压气体防突提供思路，有效减少突出事故发生。
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对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发 明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本 文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施 例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与 本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。