本发明属于矿山安全领域，涉及一种利用应力位移监测实现岩体破坏失稳预警识别的方法。其特征是在开挖岩体确定监测区域，并进行编号，利用钻孔应力计和多点位移计监测岩体应力和变形变化，并实时监测，然后换算岩体正切模量值，掌握其变化趋势，判定是否进行岩体破坏失稳预警。该方法施工简单、成本低、效果好，具有较好的可靠性和预警准确度，缩短了岩体破坏失稳预警的时间，改善了施工安全环境，避免了人员设备损失。本发明适用于岩体开挖的矿山、隧道、边坡及水电站硐室等领域。
1.一种岩体破坏失稳预警识别的方法，其特征在于，所述方法是利用岩体开挖受力通过弹性阶段后的正切模量斜率降低来预警岩体破坏失稳的发生；具体步骤如下（1）根据多点位移计的径向尺寸，在开挖面的垂直方向实施钻孔，直径为45mm~76mm，钻孔长度为开挖空间尺寸半径r0的3倍以上，长度记为L，产生的位移值为Δl，单位均为㎜，最深的位移监测点应处于原岩应力区，锚固点数量为3-5个，用来掌握岩体受力应变变化情况；
（2）钻孔应力计监测应力方向应与多点位移计监测位移方向保持一致，首先将固定工具与传感器连接起来，安装杆插入传感器的中心凹槽中，确定传感器监测应力方向，将传感器的数据传输电缆端口连接上读数仪，显示频率；然后，一手紧握外面的固定工具使它不转动，用另一手顺时针拧动安装杆，给传感器一个初始应力，直到显示的压力值达到比初始频率低5Hz~10Hz左右时，停止扭动安装杆；将安装杆抽出，再将固定工具退出钻孔，传感器安装完毕；待频率稳定后，记录此时传感器的频率作为初始频率，输入仪表进行调零；以后操作仪表可直接表示岩体的应力增量值Δσ；
（3）利用监测位移增量值Δl与钻孔最深锚点长度L即钻孔长度L换算应变增量值Δε，然后，利用应力增量值Δσ与应变增量Δε换算正切模量Et，方法是 ，其中Δσ=σi-σi-1、Δl=li-li-1、 ；
2）利用安装杆安装多点位移计，最深锚固点处于原岩状态；
3）利用安装杆安装钻孔应力计，要求钻孔应力计测量应力方向为多点位移计位移方向；
4）按照设计把位移和应力监测网络连接电脑，形成可以实时进行应力位移监测的网络；
5）通过监测网络，定期监测数据，分析其结果，应力增量值Δσ=σi-σi-1，应变增量值，换算正切模量值 ；
根据岩体受力本构关系，在岩体受损伤进入屈服区后，出现正切模量下降的现象；进行正切模量数据分析处理，获得正切模量值的斜率 ，找出k降低的点；根据正切模量斜率k的变化进行岩体破坏失稳预警，当正切模量斜率k为增加或不变时，岩体处于压密或弹性阶段，不会产生岩体破坏失稳；当正切模量斜率k降低时，岩体进入屈服区，开始产生次生裂纹的萌生、扩展、连通导致破坏失稳；所以，把岩体的正切模量斜率k降低点作为破坏失稳的预警点。
一种岩体破坏失稳预警识别的方法
技术领域
[0001] 本发明属于矿山安全领域，涉及一种利用应力位移监测实现岩体破坏失稳预警识别的方法，适用于岩体开挖的矿山、水电站硐室、边坡、隧道等。
背景技术
[0002] 随着地表浅部矿产资源的日益枯竭，矿山开采深度不断增大，岩体破坏失稳预警显得越来越重要。岩体破坏失稳预警是一种岩体在开挖过程中，以及矿房或矿块开采过程中，随着回采工作面的推进，掌握岩体应力、位移变化情况，从而达到地压管理、实现灾害预警的目的。
[0003] 在矿体回采过程中，加强应力、位移监测是掌握岩体变化情况的一项重要工作。国内应力位移监测，一般利用读数仪从应力和位移监测仪获得数据，少数监测网络利用监测点应力传感器把数据输入电脑，分析的方法多采用应力增量数据积聚增加、突变时进行预警。由于岩体在开挖后引起次生应力场重新分布，导致应力增量值突变，当岩体处于弹性阶段时，岩体发生较大变形并不会产生大规模破坏失稳，传统的分析方法没有考虑岩体在受力变形过程中弹性阶段的应力和应变变化。所以，利用应力传感器监测数据的突变来判断岩体破坏失稳容易产生错误的预警结论，这些因素极大地影响了岩体破坏失稳预警的效果，使其应用受到限制。
[0004] 鉴于上述岩体失稳预警方法的不足，需要一种新的预警识别方法，既方法简单、判别速度快、效果好，又能准确判断岩体破坏失稳进行预警，同时还具有较好的适用性。
发明内容
[0005] 本发明是针对矿山安全、公路铁路交通隧道和水利水电硐室等工程中岩体破坏失稳预警效果差，容易产生错误的预警结论等问题，提出了采用应力位移监测数据实现岩体破坏失稳预警的一种方法，不但方法简单，而且大大提高了岩体破坏失稳预警的准确性。
[0006] 一种岩体破坏失稳预警识别的方法，其特征在于：
[0007] (1)根据多点位移计的径向尺寸，在开挖面的垂直方向实施钻孔，直径一般为45mm～76mm，钻孔长度为开挖空间尺寸半径r0的3倍以上，长度记为L，产生的位移值为Δl，单位均为mm，最深的位移监测点应处于原岩应力区，锚固点数量约3-5个，用来掌握岩体受力应变变化情况；
[0008] (2)钻孔应力计监测应力方向应与多点位移计监测位移方向保持一致，首先将固定工具与传感器连接起来，安装杆插入传感器的中心凹槽中，确定传感器监测应力方向，将传感器的数据传输电缆端口连接上读数仪，显示频率。然后，左手紧握外面的固定工具使它不转动，用右手顺时针拧动安装工具，给传感器一个初始应力，直到显示的压力值达到一定量(比初始频率低5Hz～10Hz时)，停止扭动安装工具；将安装杆抽出，再将固定工具退出钻孔，传感器安装完毕；待频率稳定后(约十分钟)，记录此时传感器的频率作为初始频率，输入仪表进行调零；以后操作仪表可直接表示岩体的应力增量值Δσ；
[0009] (3)提出的利用监测位移增量值Δl与钻孔最深锚点长度L换算应变增量值Δε，然后，利用应力增量值Δσ与应变增量Δε换算正切模量Et，方法是 其中Δσ＝σi-σi-1、Δl＝li-li-1、
[0010] (4)预警识别过程如下：
[0011] 1)按照设计要求实施钻孔；
[0012] 2)利用安装杆安装多点位移计，最深锚固点处于原岩状态；
[0013] 3)利用安装杆安装钻孔应力计，要求钻孔应力计测量应力方向为多点位移计位移方向；
[0014] 4)按照设计把位移和应力监测网络连接电脑，形成可以实时进行应力位移监测的网络；
[0015] 5)通过监测网络，定期监测数据，分析其结果，应力增量值Δσ＝σi-σi-1，应变增量值 换算正切模量值
[0016] 6)根据岩体受力本构关系，在岩体受损伤进入屈服区后，出现正切模量下降的现象。进行正切模量数据分析处理，获得正切模量值的斜率 找出k降低的点，即为岩体破坏失稳预警识别方法；
[0017] 采用正切模量斜率降低预警岩体破坏失稳的方法，与传统预警方法不同表现在下述几个方面：
[0018] (1)本发明方法具有高可靠度，传统的岩体破坏失稳识别方法，仅考虑应力增量变化情况时，岩体开挖后出现应力骤增，存在大规模岩体产生较小位移后发生应力重分布，属岩体原始裂纹压密阶段，岩体不会产生失稳现象；仅考虑位移增量变化情况，岩体在逐步开挖后，应力逐渐增加，产生宏观位移，开挖变化导致应力转移，不会产生持续的岩体破坏失稳，结果导致预警错误、可靠度低，判断岩体破坏失稳说服力不够。本发明不仅考虑了应力增量变化，也考虑了应变增量变化，同时，利用岩体受力过程本构关系进入屈服区正切模量下降的特殊性，实现岩体破坏失稳预警，避免了影响因素少引起的预警结果可信度低状况，大大提高了预警可靠度，为工程岩体破坏失稳预警提供有效技术支撑；
[0019] (2)本发明方法具有实用性，运用应变增量和应力增量数据，换算正切模量，同时掌握正切模量变化趋势，利用正切模量的降低来实现岩体破坏失稳预警，该方法简便、实用，容易得到推广应用；
[0020] (3)在传统的岩体破坏失稳预警中，少数方法考虑应力增量和应变增量变化来预警，单纯考虑应力增量或应变增量时，仅考虑岩体受力和变形的数据突变来预警，忽略了岩体受力本构关系中弹性阶段中应变和应力的变化关系，本发明不仅考虑了应力和应变增量变化，同时考虑了弹性模量变化，增加了预警的准确性，对岩体发生破坏失稳带来生命财产损失预警有着巨大意义。
[0021] (4)本发明适用于矿山岩体破裂失稳发生的动力灾害预警，比如岩爆、冒顶、突水和边坡滑坡等，也适用于大型岩体工程稳定性，如水电站硐室、边坡、隧道和坝体等灾害预警。
附图说明
[0022] 图1为本发明应力计和位移计现场实施图。
[0023] 图2为本发明监测网络原理图。
[0024] 图3为本发明预警原理图。
[0025] 图中：1-钻孔应力计；2-钻孔应力计数据采集仪；3-多点位移计；4-多点位移计数据采集仪；5-电脑；6-互联网；7-多用户终端；8-通讯电缆。
[0026] 钻孔应力计1通过通讯电缆8将应力信号传输给钻孔应力计数据采集仪2；多点位移计通过通讯电缆8将应力信号传输给多点位移计数据采集仪4；钻孔应力计数据采集仪2和多点位移计数据采集仪4再通过通讯电缆8将各自的信号通过电脑5、互联网6传输给多用户终端。各终端用户利用图2监测数据，根据图3预警原理实现岩体破裂失稳预警。
[0027] 说明：现场监测仪器安装按照图1实施，整个监测网络应按照图2实施，，根据图3预警原理实现岩体破裂失稳预警。
具体实施方式
[0028] 本具体实施岩体破裂失稳预警新方法的如下过程进行：
[0029] (1)确定岩体监测预警区域，将重点监测预警区域划分并进行编号，编号对应着应力增量、位移增量的数据变化，以便获得一个清晰的监测网络；
[0030] (2)按照设计进行应力监测和位移监测钻孔施工，应力钻孔孔底应位于容易产生破坏失稳岩体中，不能位于原岩状态岩体；多点位移计钻孔最深锚固点应处于原岩状态；
[0031] (3)安装钻孔应力计时应处于3倍于开挖空间尺寸半径内，用来掌握岩体应力状态；多点位移计最深锚固点应处于原岩区，其余锚固点均匀分布于钻孔中，用来掌握岩体变形状态；
[0032] (4)设置参数，定期监测数据，分析应力增量和应变增量，根据上述方程求得正切模量值，得出正切模量斜率变化趋势；
[0033] (5)根据正切模量斜率变化进行岩体破坏失稳预警，当正切模量斜率为增加或不变时，岩体处于压密或弹性阶段，不会产生岩体破坏失稳；当正切模量斜率降低时，岩体进入屈服区，开始产生次生裂纹的萌生、扩展、连通导致破坏失稳。所以，把岩体的正切模量斜率降低识别岩体破坏失稳的预警。
