[发明专利]基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法

权利要求书

1.基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对掘进的隧道进行基本假设限定；

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；

S3、根据能量法计算实际案例中的突出前气体压力大小；

S4、通过FLAC3D软件验证计算结果的正确性。

2.根据权利要求1所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，所述S1中的基本假设包括以下内容：

S101、假设隧道掘进断面为圆形；

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；

S103、假设岩体的破坏符合莫尔–库仑准则；

S104、假设岩体符合弹性力学相关假设；

S105、假设突出是将突出终止线前方岩体全部推出。

3.根据权利要求1所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，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)；

E₂+W＝E₁+A_i (1)

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、A_i(i＝1，2)为抛掷岩体所需的动能

突出过程中气体与岩体的质量守恒表达式(2)为：

M＝ρ₁V₁＝ρ₂V₂ (2)；

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。

4.根据权利要求3所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，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：

E₁＝eV₁＝6W∑(γ_i1/d_i)V₁ (3)

其中，e为破碎比功，i表示破碎比，V₁为突出前岩体体积，γ_i为含量百分数，d_i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。

5.根据权利要求4所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，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：

E₂＝w＝P₂V₂/(n-1)[((p₁/p₂)^n-1/n)-1] (4)

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。

6.根据权利要求5所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，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，

岩体内的岩体在一定区域内能量的表达式(5)为

W＝∫_VsU^edV (5)

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。

7.根据权利要求1-6中任一所述的基于能量法的非煤地层隧道岩石突出安全厚度处理方法，其特征在于，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

L＝{6W∑(γ_i1/d_i)V₁-P₂V₂/(n-1)[((p₁/p₂)^n-1/n)-1]}/(s×U^e) (6)

其中，s为突出部分岩体断面面积。