[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

说明书

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，该系统包括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。本发明解决了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。

技术领域

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

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“NowaRuda 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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

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。

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。

进一步的是，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；