地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法
阅读说明：本技术 地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法 (Control method for excavating overbreak and underbreak by underground rock engineering automation full-section drilling and blasting method ) 是由 罗忆 龚航里 袁景凌 李新平 邓运辰 黄俊红 瞿登星 郭运华 马瑞秋 谢方 王婧 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法,取多组原岩样进行声波探测确定完整岩体中的波速值C-0；基于多臂凿岩机智能化控制,由单个钻杆钻孔作业形成激励源,其余炮眼通过钻杆中内置的传感器实现对来自激励源的振动波响应探测,形成若干探测路径；分别绘制波速C-i、主频F-i和最大幅值A-i三维云图,结合波速C-i、主频F-i和最大幅值A-i的三维云图综合判断交叉结构面,进而判定当前钻爆区超欠挖的潜在风险区。本发明技术用于全自动化、全断面钻爆法施工,在保证钻孔效率的同时,通过智能化提高相邻钻孔间振动波的检测效率,提高岩体中复杂结构面空间尺度参数推算的精准性,优化爆破工艺,减少炸药浪费,提高爆破效果。(The invention discloses a control method for underground rock engineering automation full-section drilling and blasting excavation and overbreak, which comprises the steps of taking a plurality of groups of original rock samples to carry out sound wave detection to determine the wave velocity value C in a complete rock mass 0 (ii) a Based on the intelligent control of the multi-arm rock drill, a single drill rod is used for drilling to form an excitation source, and other blastholes pass through a sensor arranged in the drill rodRealizing the response detection of the vibration wave from the excitation source to form a plurality of detection paths; plotting the wave velocities C separately i Dominant frequency F i And a maximum amplitude A i Three-dimensional cloud picture combined with wave velocity C i Dominant frequency F i And a maximum amplitude A i The three-dimensional cloud picture comprehensively judges the cross structural plane, and further judges the potential risk area of the current drilling and blasting area over-underexcavation. The method is used for full-automatic and full-section drilling and blasting construction, the drilling efficiency is ensured, meanwhile, the detection efficiency of the vibration waves between adjacent drill holes is intelligently improved, the calculation accuracy of the space scale parameters of the complex structural surface in the rock mass is improved, the blasting process is optimized, the explosive waste is reduced, and the blasting effect is improved.)
技术领域
本发明涉及地下岩石工程全断面爆破开挖工艺技术领域，特别是涉及一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法。
背景技术
随着我国铁路交通、水利水电工程等大力开发，交通隧道、水工隧道等各类地下岩石基础设施建设已随处可见。钻爆法作为地下岩石工程开挖施工的主要方法，用以控制地下洞室开挖轮廓形状，全自动化、全断面钻爆法开挖技术已在国内外进行广泛推广应用。然而，由于施工作业主观因素和围岩的客观条件影响，钻爆法施工常导致围岩过度开挖或开挖不足等不利现象，即“超欠挖效应”。
实际上，地下岩石工程采取钻爆法开挖时，超欠挖现象是不可避免的，若不加以控制，会严重影响围岩开挖质量和施工效益。超挖将增加隧道掘进的排岩量，需对超挖部位初喷素混凝土，根据其超挖程度确定是否要加设额外钢架或者钢筋网片。与此同时，超挖严重时，会导致爆破松动圈范围扩大，加大对隧洞轮廓设计界限外岩体的损伤，极大增加围岩结构的事故隐患。当产生欠挖问题时，应根据欠挖区域的大小及该部位围岩性质进行补炮或者人工机械凿除处理。因此，无论产生超挖还是欠挖，均会影响施工进度，不利于成本控制。
当前普遍采用光面爆破技术控制地下洞室开挖轮廓面平整度，由于岩体内部结构面错综复杂，开挖轮廓面边缘结构面交叉区域又是超欠挖效应产生的高频区域，故探测岩体内部结构面空间分布是控制超欠挖效应的重要手段。然而，由于现有探测手段效率低、成本高，受施工扰动大，实际工程中往往采取人工肉眼观察爆破效果，然后不断调整爆破参数，以减少超欠挖产生。显然，仅通过人工肉眼观察爆破效果，很难实质性的解决超欠挖这一难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足之处，而提出一种地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，基于岩体内部结构面空间分布探测，进一步优化爆破工艺，减少炸药浪费，提高爆破效果，将超欠挖值控制在一个较小的水平。
为实现上述目的，本发明所设计的地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
S1：凿岩钻孔前，根据洞室爆破炮眼布置设计方案，对炮眼编号；
S2：取爆破开挖标段内的若干组岩样进行声波探测，按关系式C0＝Max{C1，C2，C3，…，Cn}确定完整岩体中的波速值C0，其中，Cn为所取岩样中某单个岩样的波速值，n为所取的岩样数；
S3：基于多臂凿岩机的智能化控制，交替产生若干不同激励源和信号接收孔；即利用多臂凿岩机对若干个炮眼进行钻孔作业，一个钻杆钻孔作业时，其余钻杆停止作业，进行钻孔作业的炮眼中，钻杆钻头不断与周围岩石摩擦、振动，形成振动波，将其视作为振源孔，停止钻孔作业的炮眼视作为信号接收孔；
S4：钻孔过程中，沿掌子面纵向及径向交叉跨孔探测，通过钻杆内置传感器实现对来自激励源产生的振动波的响应探测，采集激励源信号传至每个传感器的时间以及来自激励源的振动信号，计算波速Ci；
S5：钻杆内置传感器与信息处理模块通过无线网络连接，将若干探测路径得到的数据自动传输到信息处理模块，分别绘制波速Ci、主频Fi和最大幅值Ai三维云图；
S6：结合波速Ci、主频Fi和最大幅值Ai的三维云图判断交叉结构面，判定当前钻爆区超欠挖的潜在风险区，预测下一钻爆区岩体内部结构面的分布特征，提出超欠挖问题的控制措施及爆破工艺优化方案；
S7：重复步骤S1～S6直至洞室贯通。
优选地，所述步骤2)中根据钻爆区域爆破效果观测，在不同钻爆区重新取n组原岩样进行声波探测，n为大于3的自然数。
优选地，所述步骤3)中多臂凿岩机的钻杆数量根据开挖洞室的围岩地质环境确定，各钻杆的钻头处均内置有传感器，钻杆中的若干个传感器与信息处理模块通过无线网络连接，实现大数据自动化处理，也可实现远程测试，避免洞穴坍塌等突发事故造成人员伤亡或设备损坏。
优选地，所述步骤3)中振源孔与信号接收孔并非固定孔位，根据需求自动切换激励源与信号接收孔，形成若干条探测路径。
优选地，所述步骤4)中振动信号即为信号接收孔接收来自激励源产生的振速时程域值，按以下关系式计算各探测路径中振动波在岩石中传播的波速：
式中，Ci为振动波在岩石中传播的波速；Li为激励源与信号接收孔钻头之间的直线距离；Ti为传感器接收到激励源振动波信号所需的时间，i为探测路径；Sj为各钻杆内置传感器至其钻头的距离，j为各钻杆编号；C钻杆为钻杆材质的纵波波速。
优选地，所述步骤5)中分别取各探测路径的中点为点元素，波速值等于整体探测路径的波速值，采用快速傅里叶变换实现将振动信号从时域到频域的转换，分别取各探测路径的主频和最大幅值为元素，绘制主频云图、最大幅值云图和三维波速云图。
优选地，所述步骤5)中将Ci值与C0值作大小比较，判定岩体内部结构面的密集程度，按Ci＝(0.95～1)C0、Ci＝(0.8～0.95)C0、Ci＝(0.5～0.8)C0进行归类处理，当Ci＝(0.95～1)C0时，判定为孔间岩体相对完整，无节理裂隙，当Ci＝(0.8～0.95)C0时，判定为孔间含有节理裂隙，当Ci＝(0.5～0.8)C0时，判定为孔间含有节理裂隙，且节理裂隙密集。
优选地，所述步骤6)中判断结构面的方法为，主频云图、最大幅值云图和三维波速云图的相同区域内波速Ci、主频Fi和最大幅值Ai均下降且下降幅度高于阈值，则该区域判断为存在结构面。
优选地，所述步骤6)中将含有结构面交叉处判定为超欠挖的潜在风险区，在结构面交叉的区域沿周边孔增设炮孔，解决当前钻爆区的超欠挖问题，也可推测下一钻爆区岩体内部结构面的分布，有目的性地补充炮孔或调整钻孔布置方案，优化布置。
与现有技术相比，本发明提出一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法采用的技术方案是，凿岩钻孔前取多组岩样进行声波检测，确定爆破开挖标段内完整岩体中的波速值，编程实现多臂凿岩机的自动化，各钻杆均内置传感器。由单个钻杆钻孔作业形成激励源，其余炮眼通过内置换能器进行来自激励源激发的振动波响应探测，无需在钻孔内重新布置发声探头、接收探头进行探测；传感器与信息处理模块通过无线网络连接，可实现远程测试，避免洞穴坍塌等突发事故造成人员伤亡或设备损坏，将若干探测路径得到的数据自动传输到信息处理模块，绘制三维波速云图、主频云图和最大幅值云图；结合三维波速云图、主频云图和最大幅值云图，判定超欠现象的潜在风险区，通过沿周边孔增设炮孔，解决当前钻爆区的超欠挖问题，也可据此大致推断下一钻爆区岩石内部结构面的分布特性，即可有目的性地对下一钻爆区补充钻孔或调整钻孔布置方案，实现钻孔优化布置，节省炸药，提高爆破效果，同时可减轻对隧道开挖轮廓界限外岩体的损伤。
附图说明
图1是本发明一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法的流程示意图；
图2是本发明中孔间振动波响应径向探测实施例示意图；
图3是本发明中孔间振动波响应纵向探测实施例示意图；
图4是本发明中钻爆区局部孔间振动波响应探测路径空间网络主视图；
图5是图4中含典型结构面时孔间岩石波速Ci值云图；
图6是图4中含典型结构面时孔间主频值云图；
图7是图4中含典型结构面时孔间最大振幅值云图；
图8是本发明中超欠挖控制方案实施例示意图。
图中：多臂凿岩机1，A钻杆20，B钻杆21，C钻杆22，D钻杆23，E钻杆24，掌子面3，传感器4，探测路径5，结构面6，欠挖区域7，超挖区域8，信息处理模块9。
具体实施方式
为了使本发明技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一个实施例介绍了一种用于地下岩石工程自动化全断面钻爆法开挖超欠挖的控制方法，包括以下步骤：
S1：凿岩钻孔前，根据洞室爆破炮眼布置设计方案，对炮眼编号，本实例中将炮眼分类编号为：周边眼(Z1～Z19)、辅助眼(F1～F14)、掏槽眼(T1～T6)；
S2：取多组原岩样进行声波探测，按关系式C0＝Max{C1，C2，C3，…，Cn}确定完整岩体中的波速值C0，由于岩体内部含结构面，声波检测得到的波速值必然降低，将C0值视作为爆破开挖段内完整岩石中的波速值，其中，Cn为所取岩样中某单个岩样的波速值，n为所取的岩样数；根据各钻爆区域爆破效果观测，可在不同钻爆区重新取n组原岩样进行声波探测，n为大于3的自然数；
S3：基于多臂凿岩机1的智能化控制，交替产生若干不同激励源和信号接收孔；
即利用多臂凿岩机1可同时对若干个炮眼进行钻孔作业的特点，在钻孔作业中，编程实现其中的一个钻杆继续进行钻孔作业，其余钻杆停止钻孔作业，例如：本实例中采用五臂凿岩机1进行凿岩钻孔作业，其包含A钻杆20、B钻杆21、C钻杆22、D钻杆23和E钻杆24；当控制C钻杆22继续进行钻孔作业，其钻头不断与周围岩石摩擦、振动，激发振动波，将其视作为激励源，控制A钻杆20、B钻杆21、D钻杆23和E钻杆24停止钻孔作业，将停止钻孔作业对应的炮眼视作为信号接收孔；
S4：自动化钻孔过程中，沿掌子面3纵向及径向交叉跨孔探测，通过钻杆内置传感器4实现对来自激励源产生的振动波的响应探测，主要包括激励源信号传至传感器所需时间，及来自激励源的振动信号；
当保持激励源和信号接收孔钻进深度一致时，各钻孔交叉视作为激励源，形成沿掌子面3径向方向的若干条探测路径，按以下关系式计算各探测路径中振动波在岩石中传播的波速：
式中，Ci为振动波在岩石中传播的波速；Li为激励源与信号接收孔钻头之间的直线距离；Ti为传感器接收到激励源振动波信号所需的时间，i为探测路径5；Sj为各钻杆内置传感器至其钻头的距离，j为各钻杆编号；C钻杆为钻杆材质的纵波波速，可对其进行现场超声波检测得具体值。
以拱顶局部区域孔间振动波响应探测为例，如图2所示，当多臂凿岩机1的钻孔作业至相同深度时，若保持辅助孔F12继续钻孔作业视作为激励源，其他钻杆分别利用其内置的传感器4探测来自激励源振动波的响应，可得到图4所示的多条探测路径5，按上述公式计算对应路径振动波响应波速值(CF12-F1、CF12-F2、CF12-F3、CF12-F10、CF12-F11、CF12-Z1、CF12-Z2、CF12-Z3、CF12-Z4、CF12-Z17、CF12-Z18、CF12-Z19)；同样地，若保持辅助孔F11继续钻孔作业视作为激励源，得到多条探测路径5对激励源振动波响应波速值(CF11-F1、CF11-F2、CF11-F10、CF11-Z1、CF11-Z17、CF11-Z18、CF11-Z19)；若保持辅助孔F3继续钻孔作业视作为激励源，得到多条探测路径5对激励源振动波响应波速值(CF3-F2、CF3-Z2、CF3-Z3、CF3-Z4)；且周边孔Z1、Z2、Z3、Z4、Z17、Z18和Z19交替作为激励源，可得到多条探测路径5对激励源振动波响应波速值(CZ17-Z18、CZ18-Z19、CZ19-Z1、CZ1-Z2、CZ2-Z3、CZ3-Z4)；
沿掌子面3纵向交叉探测来自激励源产生振动波的传播响应，当激励源和信号接收孔维持一定深度差时，各钻孔交叉视作为激励源，又可以形成沿掌子面3纵向的若干条探测路径5。例如，如图3所示，当多臂凿岩机1的A、B、D、E钻杆钻孔至深度M米处时停止钻孔作业，继续C钻孔22中的钻孔作业，将其视作为激励源，可得到多条探测路径5对激励源振动波响应波速值(CT2Nj-Z1Mj、CT2Nj-F1Mj、CT2Nj-F12Mj、CT2Nj-F14Mj、CT2Nj-F5Mj、CT2Nj-Z7Mj、CT2Nj-Z10Mj)，其中，Nj、Mj均表示各钻杆沿掌子面纵向的钻进深度；
与此同时，记录各探测路径的信号接收孔来自激励源的振动信号，即振速时程域值，可得到振动速度时程曲线；本实施例中，钻杆为刚材质，测得其纵波波速为5.9km/s，炮孔设计深度为6米，每进尺1米进行一个径向及纵向探测循环，最终形成216条探测路径，对应可得到216个Ci值，以及216条探测路径的振动速度时程曲线；
S5：钻杆内置传感器4与信息处理模块9通过无线网络连接，将若干探测路径5得到的数据自动传输到信息处理模块9，分别绘制波速Ci、主频Fi和最大幅值Ai三维云图；
S50：分别取各探测路径的中点为点元素，波速值等于整体探测路径的波速值，绘制波速Ci三维云图，如图5所示，在两交叉结构面对应区间，波速会显著降低，波速Ci三维云图中两条结构面处的波速值会出现明显差异变化。
可进一步将Ci值与C0值作大小比较，判定岩体内部结构面的密集程度，按Ci＝(0.95～1)C0、Ci＝(0.8～0.95)C0、Ci＝(0.5～0.8)C0进行归类处理，当Ci＝(0.95～1)C0时，可判定为孔间岩体相对完整，无节理裂隙，当Ci＝(0.8～0.95)C0时，可判定为孔间含有节理裂隙，当Ci＝(0.5～0.8)C0时，可判定为孔间含有节理裂隙，且节理裂隙密集。
S51：采用快速傅里叶变换(FFT)实现将振动信号从时域到频域的转换，分别取各探测路径的主频Fi和最大幅值Ai为元素，分别绘制主频Fi和最大幅值Ai三维云图，如图6和图7所示，在两交叉结构面对应区间，激励源产生振动波通过结构面会消耗部分能量，主频Fi和最大幅值Ai均会减小，主频Fi云图和最大幅值Ai云图中两条交叉结构面处均会出现明显差异变化。
S6：结合波速Ci、主频Fi和最大幅值Ai三维云图，判定当前钻爆区超欠挖的潜在风险区，预测下一钻爆区岩体内部结构面的分布特征，提出超欠挖问题的控制措施及爆破工艺优化方案；如图5所示，若相邻两炮眼孔Z19和Z1之间存在结构面6交叉于洞壁设计界限外，炸药爆炸产生的高压爆生气体楔入结构面6，并沿结构面6延展方向蔓延，与两结构面6交叉区域破裂，最终导致超挖区域8形成。若相邻两炮眼孔Z6和Z7之间存在结构面6交叉于隧洞洞壁设计界限内，炸药爆炸产生的高压爆生气体楔入结构面6，并沿结构面6延展方向蔓延，与两结构面6交叉区域破裂，最终导致欠挖区域7形成；为了解决当前钻爆区的超欠挖问题，基于岩体内部结构面的探测情况，在爆破之前需在超挖区域8和欠挖区域7分别沿周边孔增设炮孔，有效控制超欠挖问题。如图8所示，也可据此大致推断下一钻爆区岩石内部结构面的分布特性，即可有目的性地对下一钻爆区补充钻孔或调整钻孔布置方案，实现钻孔优化布置，节省炸药，提高爆破效果，同时可减轻对隧道开挖轮廓界限外岩体的损伤。
S7：重复步骤S1～S6直至洞室贯通。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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