(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211467266.8 (22)申请日 2022.11.22 (71)申请人 山东科技大 学 地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港 路579号山东科技大 学 (72)发明人 文志杰　吕浩然　宋振骐　杜婉君　 蒋宇静　石少帅　 (74)专利代理 机构 青岛众智源知识产权代理事 务所(普通 合伙) 37355 专利代理师 张红凤 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01N 21/25(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01M 11/00(2006.01)G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 应力环境和围岩结构相结合的支护结构的 确定方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种应力环境和围岩结构相 结合的支护结构的确定方法及系统， 涉及煤矿岩 体稳定性分析技术领域。 该确定方法包括： 首先 通过判断应力环境， 明确应力高峰位置和原岩应 力位置； 然后辨识地下围岩结构， 利用激光仪器 识别岩性并构建岩层三维模型， 分析岩层损伤程 度； 之后对两帮处岩层的表面损伤 程度进行预处 理： 归一化处理， 顶底板处岩层的表面损伤程度 进行对比； 最后判别支护结构， 根据应力环境和 地下围岩结构判断支护有效性并确定支护长度。 本发明提出的应力环境和围岩结构来共同确定 支护结构的新方法， 其不同于 现有技术中的刚体 极限平衡法、 数值法或解析法和可靠性分析法。 本发明方法可保证支护结构满足力学基础和实 际工程需求。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115508548 A 2022.12.23 CN 115508548 A 1.一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其特征在于， 依次包括以 下步骤： a、 判断地下空间周围岩层所处应力环境， 明确应力高峰位置和原岩应力位置； b、 利用激光仪器智能辨识地下围岩结构， 识别地下空间周围岩层的岩性和厚度， 并构 建岩层的三 维模型， 分析两帮位置、 顶底板位置、 应力高峰位置和原岩区位置的岩层的表 面 损伤程度； c、 对两帮处岩层的表面损伤程度进行归一化处理， 对顶底板处岩层的表面损伤程度进 行对比； d、 结合应力环境和地下围岩结构来判断支护有效性。 2.根据权利要求1所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 步骤a中， 利用数值分析或弹 塑性力学计算 来判断地下空间周围岩层所处应力环境； 步骤c中， 所述的归一 化处理具体包括以下步骤： 首先根据不同位置的岩层损伤程度数据， 分析裂隙状态和裂隙数量， 将岩层损伤程度 利用函数 数值表示； 然后获取岩层损伤程度b的最大值和最小值， 原岩区位置岩层的表面损伤程度为最大 值， 两帮处岩层的表面损伤程度为最小值； 之后将各个位置的岩层损伤程度的原始数据进 行线性变换， 目的就是使所有数据均落在[0,1]区间内， 转变函数如式 （1） 所示：            （1） 式 （1） 中： 为岩层损伤程度在归一 化处理后的数值； 为岩层损伤程度的原 始数值； 最后得到归一化处理后的岩层表面损伤程度数据， 数据均为无量数值， 分布区间为[0, 1]， 数值越大， 表明岩层表面损伤程度越小， 数值越小， 表明岩层表面损伤程度越大； 步骤d中， 判断支护有效性的主 要步骤为： 判断现有支护是否有效， 是否 达到支护要求； 利用软件分析方式获取地下空间岩层的变形程度， 将变形程度与 巷道尺寸的倍数进行 比较， 巷道尺寸的倍数 的具体数值根据地下空间的用途和岩石岩性的分析获取； 若变形程 度<巷道尺 寸的倍数， 则证明现有支护有效； 若变形程度>巷道尺 寸的倍数， 则证明现有支护 失效， 需要对支护方式进行改变； 在对支护有效性判断完成后， 再根据地下空间岩层应力环境和围岩结构确定支护长 度。 3.根据权利要求1所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 所述的激光仪器包括壳体和 集成设置在壳体内的激光光谱装置、 旋转装置和激 光扫描装置， 所述的旋转装置用于使得所述激光扫描装置进行旋转扫描， 所述的激光扫描 装置在旋转装置上方， 激光光谱装置在旋转装置下方； 在实际使用时， 所述的激光仪器配设 有伸缩杆和放置架， 所述的伸缩杆的前端连接在所述的激光仪器上， 后端连接在所述的放 置架上， 通过调节伸缩杆来使得激光仪器进入钻孔内壁进行检测， 获取岩层的岩性和厚度； 所述的旋转装置的旋转速率与所述的伸缩杆的位移速率相配合。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115508548 A 24.根据权利要求3所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 所述的激光光谱装置包括激光源、 聚焦镜、 反射镜以及光栅， 所述的激光源用于 反射高能脉冲激光； 所述的聚焦镜用于提高激光边缘的探测能力， 提高激光的能量； 所述的 反射镜折 射透过镜 头， 将高能脉冲激光照射在岩石表面。 5.根据权利要求2所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 步骤d中， 用于支护的锚杆长度选择在归一化处理后的表 面损伤程度区间[0,  1/ 2]处。 6.根据权利要求2所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 步骤d中， 当支护失效， 需要对支护方式进行改变时， 根据施加预应力所需能量E 与地下空间变形倍数所需能量相等原则， 判别支护密度， 地下空间变形倍数 的具体数值根 据地下空间的用途和岩石岩性的分析来获取。 7.根据权利要求2所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 步骤c中， 垂直方向岩层的表面损伤程度的对比步骤， 是根据不同岩性， 选取顶底 板处不同位置的岩层进行对比。 8.根据权利要求3所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法， 其 特征在于： 所述的激光扫描装置位于所述的激光光谱装置上方； 所述的激光扫描装置包括 激光发射器、 可旋转式柱面滤光镜、 接收器、 时间计数器以及CCD相机， 所述的旋转装置位于 靠近激光光谱装置的一端， 所述的激光发射器用于发射红外激光， 所述的可旋转式柱面滤 光镜用于增大激光扫描面积， 扫描到岩石后激光反射回； 所述的接收器用于接收扫描速率； 所述的CCD相机用于对岩层进 行拍摄， 所述的时间计数器用于控制扫描速率； 所述的激光扫 描装置在旋转装置的作用下 可进行360°旋转。 9.一种利用权利要求1所述的一种应力环境和围岩结构相结合的支护结构的确定方法 来辨识地下围岩结构的系统， 其特征在于， 包括电脑、 数据传输线路和激光仪器， 所述的激 光仪器包括壳体和集成设置在壳体内的激光光谱装置、 旋转装置和激光扫描装置， 所述的 旋转装置用于使得所述激光扫描装置进行旋转扫描， 所述的激光扫描装置在旋转装置上 方， 激光光谱装置在旋转装置下方； 所述的激光仪器可伸入钻孔内壁进 行检测， 获取岩层的 岩性和厚度； 所述的激光扫描装置位于所述的激光光谱装置上方； 所述的激光扫描装置包括激光发 射器、 可旋转式柱 面滤光镜、 接收器、 时间计数器以及CCD相机， 所述的旋转装置位于靠近激 光光谱装置的一端， 所述的激光发射器用于发射红外激光， 所述的可旋转式柱面滤光镜用 于增大激光扫描面积， 扫描到岩石后激光反射回； 所述的接收器用于接收扫描速率； 所述的 CCD相机用于对岩层进 行拍摄， 所述的时间计数器用于控制扫描速率； 所述的激光扫描装置 在旋转装置的作用下 可进行360°旋转； 所述的激光光谱装置包括激光源、 聚焦镜、 反射镜以及光栅， 所述的激光源用于反射高 能脉冲激光； 所述的聚焦镜用于提高激光边缘的探测能力， 提高激光的能量； 所述的反射镜 折射透过镜头， 将 高能脉冲激光照射在岩石表面， 所述的激光仪器在收集到激发态的岩石 光子后， 通过数据传输线路传输至电脑， 在电脑中通过软件处理形成岩石的光谱图像， 与数 据库中的数据进行分析对比， 将 岩性名称和光谱特性 通过电脑屏幕显示出来。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115508548 A 3