[发明专利]一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法

权利要求书

1.一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、推导非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式；

步骤2、推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解；

步骤3、推导岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解析解；

步骤4、推导岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解析解；

步骤5、建立多因素岩爆预测模型；

所述步骤1的具体方法步骤为：

步骤1.1、根据格里菲斯强度理论的原理和内涵，分析脆性材料破裂的原因、破裂所需要的能量，以及破裂扩展的方向；

步骤1.2、根据格里菲斯强度理论主应力下的断裂判据，

格里菲斯强度判据为分段函数，在第一主应力σ₁、第三主应力σ₃的坐标系σ₁-σ₃下的格里菲斯强度判据，具体为：

当σ₁+3σ₃＜0时，σ₃＜-σ_t，

当σ₁+3σ₃＞0时，

步骤1.3、推导并提出非轴对称外荷载条件下，地下洞室围岩的格里菲斯起裂判据，

当(3σ_θ+σ_r)(σ_θ+3σ_r)＜4τ_rθ²时，

判据为τ_rθ²＜(σ_t+σ_θ)(σ_t+σ_r)  (4a)

当(3σ_θ+σ_r)(σ_θ+3σ_r)＞4τ_rθ²时，

判据为4τ_rθ²＜8σ_t(σ_θ+σ_r)-(σ_θ-σ_r)²  (4b)；

所述步骤2的具体方法步骤为：

步骤2.1、根据弹性力学相关理论，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性解；

非轴对称条件下弹性区应力场分量为：

其中，环向应力为σ_θ，径向应力为σ_r，剪应力为τ_rθ，洞径为a，围压为P，侧压力系数为λ；

步骤2.2、根据格里菲斯起裂判据的选择条件及判据，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性应力分量组合表达式，根据应力场分量组合表达式可得应力场组合表达式为：

所述步骤3的具体方法步骤为：

步骤3.1、将应力场组合表达式带入起裂判据的选择条件(3σ_θ+σ_r)(σ_θ+3σ_r)＜4τ_rθ²，得到起裂半径的隐函数，

令则上式简化为，

[(1+λ)(2+R)+(1-λ)(1+3R²+2R)cos2θ][(1+λ)(2-R)+(1-λ)(-1-3R²+6R)cos2θ]＜[(1-λ)(1+2R-3R²)sin 2θ]²(7b)

当已知洞径a，侧压力系数λ时，求得围岩内任一位置(r,θ)处的判据选择条件；若不等式成立，则按照起裂判据①进行起裂评定；若不等式不成立，则按照起裂判据②进行起裂评定；

步骤3.2、将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4a)和(4b)，

起裂判据①：将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4a)得，

起裂判据②：将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4b)得，

当已知围压P，侧压力系数λ，抗拉强度σ_t，洞径a时，求得系数R，进而根据其与起裂半径r₀的关系，求得具体位置θ处的起裂半径

围岩起裂后，推导裂缝尖端应力或准爆体受力表达式；

裂缝尖端应力等效为新洞室的洞壁应力，表达式为：

σ_θ(r,θ)＝P(1+λ)+2P(1-λ)cos2θ(9a)

准爆体所受的平均压应力表达式为：

当压应力σ_c超过岩体抗压强度R_c时，即σ_c＞R_c时，围岩则发生起爆；

所述步骤5的具体方法步骤为：

步骤5.1、剖析应力强度比判据中岩爆等级、应力强度比K，环向应力σ_c，抗压强度R_c之间的关系；

步骤5.2、基于多因素环向应力σ_c表达式，建立多因素岩爆预测模型。