基于微震监测的岩爆预警方法研究

以锦屏二级水电站深部隧洞为研究对象,采用微震监测技术,对卸荷作用下的深埋隧洞微震活动性时空分布规律及时序规律展开研究。基于现场岩爆记录与微震监测结果比对,探讨了岩爆与微震活动间的内在联系并提出深埋隧洞岩爆监测预警方法。监测结果表明:岩爆发生前具有明显的微破裂前兆特征,微震事件由空间无序分散逐渐向有序集中的自组织演化,微震参数包括累计事件数、微震能量密度、累积视体积及能量指数的异常变化均可作为岩爆预警指标。基于研究结果,提出高地应力条件下深埋隧洞岩爆监测预警方法,预测准确率达到８０．６％,实用效果较好并为此类地下工程的岩爆预测提供借鉴意义。     

基于微震监测的深埋隧洞岩爆微震事件时空分布特征研究

双江口水电站进厂交通洞最大埋深达500 m,最高地应力水平达到38. 8 MPa,强度应力比偏低,极易发生岩爆。针对上述情况,采用微震监测技术进行稳定性及岩爆灾害监测,研究分析进厂交通洞在开挖过程中岩爆微震事件时空分布特征,进而识别和圈定进厂交通洞岩爆灾害和围岩稳定性的风险部位,反演围岩应力集中区域。结果表明,对隧洞岩爆微震事件进行时空分布特征分析,可以很好地预测现场岩爆情况并为调控现场施工进度和下一步施工计划提供参考依据。该研究成果可为其他类似工程提供一定的借鉴。     

某深埋凝灰质砂岩隧洞破坏特征及微震演化规律

某深埋凝灰质砂岩隧洞,采用敞开式TBM掘进,地质条件复杂,掘进过程中发生塌方、岩爆等不同类型破坏,存在安全风险,影响施工进度。为指导现场施工与支护措施,提高施工效率,连续开展微震监测,以现场地质踏勘资料为基础,结合微震监测信息分析不同类型破坏特征,总结微震活动时空演化规律。结果表明：该隧洞中松弛掉块分布范围广,塌方发生位置较集中,部分塌方与松弛掉块交替发生,轻微岩爆呈零星散发的特点;地质特征与破坏特征存在相关性,结构面越发育破坏规模越大,塌方风险越高;不同类型破坏分布与微震活动时空演化规律一致性较好,现场破坏规模与微震事件数和微震释放能均呈正相关关系;通过对微震监测信息分析,可以判识、预测该隧洞破坏规模和类型,为施工提供指导。     

基于微震监测的秦岭隧洞岩性转换带岩爆孕育机制

多年来,岩爆的频发严重制约着最大深埋隧洞的工程建设进度,给现场施工安全造成极大的威胁。引汉济渭秦岭输水隧洞具有地应力高、埋深大、地质结构复杂等特点,为减少在开挖过程中岩爆带来的危害,利用微震监测技术对岭北TBM洞段实施全天候不间断监测。通过分析微震事件的时空演化规律,对K46+735～K45+730之间变砂岩与闪长岩交界面处岩性转换带的岩爆孕育机制开展了研究。研究结果表明：(1)微震事件的时空演化规律可以有效揭示岩爆区岩体的破裂过程,并显示出了微震监测震源参数的变化情况与现场发生的岩爆现象一致;(2)岩性转换带的岩爆孕育受开挖扰动影响,当岩爆区域在高应力作用下发生静力破坏时,结构面滑移错动产生高应力,并与静应力形成叠加效应,最终诱发强烈岩爆。研究成果可以为最大深埋隧洞施工过程中的岩爆预防措施制定提供参考,以保证现场施工人员和设备的安全。     

引汉济渭秦岭输水隧洞4~#支洞微震监测系统及工程应用

引汉济渭工程秦岭特长输水隧洞岩性复杂、水平地应力高,开挖过程中岩爆灾害频发。为确保人员与设备安全,在"亚洲第一长斜井"4#支洞斜4+179. 2—斜4+346. 4范围安装微震监测系统,进行岩爆风险分析与预测。根据现场实时监测数据,进行信号滤波分析,确定有效岩体破裂信息。分析花岗岩中微震事件的时序特征,以及时空演化分布特征,结合现场实际岩爆特点,对比分析岩爆发生等级及破坏特征。结果显示:隧洞岩体微震时序类型主要为2类,即主震-后震型、前震-主震-余震型;岩爆等级以中等岩爆为主,呈现片状拉伸破坏为主与剪切破坏形成塌腔的组合破坏特征。发生中等岩爆临界值为当日累计微震事件30次以上。结果表明,该微震监测系统的设计和实施满足支洞深部岩体稳定性分析的监测要求,能够为岩爆风险监测提供一个有效的分析工具。研究成果为隧洞施工中岩体稳定性分析提供有价值的参考依据。     

超深埋隧洞TBM施工的岩爆研究

TBM工法最显著的优势就在于掘进速度快,其决定性因素是掘进、支护设备与隧洞地质条件的匹配程度,而岩爆(尤其是强烈岩爆)是制约锦屏二级水电站隧洞开挖进度的瓶颈问题。本文结合施工排水洞岩爆现象及支护处理措施,对岩爆的声学特征、时空效应、破坏方式等进行分析,总结了TBM施工洞段岩爆的特点。在水电隧洞工程中引入了微震监测进行岩爆预报,也是目前岩爆监测与预报或预警最有效的技术之一。在对岩爆发生规律、特点、预报研究的基础上,根据TBM设备的特点和能力,提出了防治不同等级岩爆的工程措施和建议。     

基于微震监测技术的岩爆特征研究

秦岭输水隧洞越岭段岩石掘进机法施工过程中多次出现岩爆风险,对施工人员和设备安全产生了严重威胁。采用微震监测技术进行岩爆预测预报,通过分析微震事件分布特征、频次特征、震级特征等,建立了基于能量指标的岩爆判别方法,工程实例表明整体准确预测率超过80%。结果表明,深埋硬岩隧洞中岩爆风险是完全可以预测的,对于中等及以上岩爆预测效果更加显著,根据预测结果采取相应的预防措施,可在一定程度上降低岩爆的风险。     

引汉济渭秦岭隧洞5号支洞岩爆微震响应研究

以引汉济渭秦岭输水隧洞5号支洞为研究对象,微震监测技术为手段,微震数据及岩爆实录资料为基础,分析了诱发岩爆的原因,并在此基础上探究了微震事件活动与岩爆的关系。研究结果表明：地应力和掘进速率是诱发岩爆产生的主要影响因素,且埋深不同,其对岩爆产生的影响程度不同;微震事件的空间分布特征与掌子面位置存在紧密联系,其“时、空、强”特征可以形象地演示岩爆的产生过程并用于对岩爆的预测预警;岩爆不会一直持续发生,而是会经历扰动开挖-裂隙产生-岩体储能-裂纹发育贯通-能量释放的过程,且当能量释放不彻底时,容易形成频发型岩爆。     

基于微震监测的引汉济渭秦岭隧洞岩爆预测研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞区地应力较高,当在坚硬完整、干燥无水的变砂岩地层中进行开挖时,由于应力集中,有发生岩爆甚至强烈岩爆的可能。本文进行了基于微震监测技术的岩爆风险预测,分析了秦岭隧洞3、4号洞微震监测数据,并对岩爆事件进行相应预测,结果显示,预测准确率分别达到95.89%、90.00%和88.46%,说明微震监测数据可实现对岩爆事件的有效预测。     

基于微震监测的岩爆预报在引水隧洞 施工中的运用

为实现锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞和排水隧洞在施工期间可能发生的强烈岩爆的预报,本文制定了基于微震监测技术的岩爆预报方案。首先对微震监测系统收集到的微震信息进行滤波处理和波普分析。然后,根据微震信息进行微震源定位,同时得到微震事件的数量、释放能量、视体积、能量指数等指标。最后,根据这些指标的值及其变化规律并结合现场地质条件预测隧洞发生岩爆的概率和强度。现场岩爆情况与采用该方法的岩爆预报结果对比表明：该预报方法对高强度岩爆具有较高的准确率。     

微震法岩爆监测及其在荒沟电站地下厂房区的应用分析

近年来,深部地下洞室开挖诱发的岩爆地质灾害问题日益突出,以岩体微破裂定位为特色的微震监测技术被广泛应用于地下工程的岩爆监测与预警。以荒沟抽水蓄能电站地下厂房区为背景,针对开挖过程中局部围岩出现的轻微岩爆现象,构建微震监测系统进行岩爆监测预警,并对监测期前两个月的微震活动进行了分析。结果表明:微震系统可以有效地捕捉高频的爆破事件和低频的微震事件;微震事件活动频度与现场爆破开挖施工强度呈正相关;厂房上游侧拱肩和下层排水廊道与厂房安装间交汇部为岩爆潜在风险区。研究成果可为地下洞室的安全施工和稳定性评价提供技术支撑。     

基于改进三维识别方法的西北地区干旱事件分析

以标准化降水蒸散指数(SPEI)为基础,基于改进的干旱三维识别方法,提取多个反映干旱空间动态演变过程的特征变量,对西北地区识别的气象干旱事件进行分类并分析其时空演变模式,揭示季节干旱发展规律。结果表明：改进的干旱三维识别方法能够准确提取出时空连续的干旱事件,提高了干旱时空动态演变监测的可视化程度;1960—2018年西北地区气象干旱事件以同向迁移规律为主,青海省北部和甘肃省中部为两个主干旱中心区域,且呈现出历时逐渐变短、大面积干旱事件占比逐渐降低的趋势;西北地区季节连旱事件多集中在青海省,春夏秋连旱事件由东南向西北方向迁移,夏秋冬连旱事件由西南向东北方向迁移,且两种季节连旱事件在发展后期的迁移速率相对较快。     

1961—2015年淮河流域气象干旱发展过程和演变特征研究

为刻画连续性干旱事件的时空动态演变过程,本文在时空维度下构建干旱事件发展时空特征变量并进行特征分析,对干旱发展过程和演变特征开展研究。首先确定干旱指标和阈值,然后判别干旱事件的时空连续性,进而建立涵盖干旱逐月集中点、干旱时空集中点、干旱时空迁移速率等12项干旱事件发展时空特征变量,使干旱事件发展时空特征可视化,最后对1961-2015年淮河流域气象干旱事件开展实例研究。结果表明：淮河流域夏旱和春旱发生频率较高,夏秋冬三季连旱年发展过程呈现出起源于沂沭泗河流域,再转向淮河中游,并逐渐向淮河上游迁移的规律,并存在秋旱较为严重的特点;干旱迁移方向对干旱逐月强度大小有一定的影响;受干旱影响最严重的地区主要分布在流域北部;过去干旱强度呈增大趋势,干旱面积呈下降趋势,整体向西北方向迁移,预计未来将向流域东北方向迁移。该研究为全面、精细解析干旱发展过程和时空演变特征提供了新的方法和技术。     

岩体隧洞岩爆过程微震特征及其扩展机制

基于深部岩体隧洞不同开挖方式下的岩爆现场情况及微震监测数据,确立了最大能量微震事件岩爆发生时间、等级的判定标准。在此基础上,对深埋隧洞即时型岩爆的孕育及发生过程进行了研究,结果表明:即时型岩爆孕育过程中围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程,此过程中微震事件数量不断增加、能量参数不断增大,当岩爆发生时达到最大值;TBM开挖过程可近似为准静态卸荷,受到开挖方式的影响其裂隙扩展范围相对较小,围岩承载力也较强;而钻爆法开挖是初始应力的动态卸荷,爆破冲击荷载造成的裂隙扩展范围较大,同时其围岩储能能力相对较差。     

小孟底沟水电站引水隧洞岩爆预测和防治对策

以小孟底沟水电站工程引水隧洞为例,依据隧洞区地应力的测试值及地应力场模拟与反演,综合分析了隧洞区地应力和隧洞围岩应力的分布规律,在此基础上计算获得开挖后洞周围岩应力值。在分析岩爆发生条件的基础上,根据工程区地应力、岩性等特征,采用多种岩爆判别方法,对引水隧洞围岩发生岩爆的可能性及岩爆级别进行了综合预测,给出勘察设计阶段隧洞产生岩爆的可能性及级别,从而为设计和施工提出应对岩爆的工程对策。     

考虑剪胀效应的深埋硬岩隧洞岩爆过程的数值模拟

基于摩擦强度在粘聚力发生显著劣化后才起作用的本构模型(CWFS模型),将Russense岩爆判据引入数值模拟过程中,研究了不同剪胀角取值对隧洞围岩岩爆区及最大最小主应力差值在70~80MPa之间单元分布规律的影响,并将计算结果与采用Mohr-Coulomb应变软化本构模型的结果进行了对比分析。结果表明:采用基于Russense岩爆判据的CWFS本构模型模拟出了隧洞围岩发生脆性破坏形成的V型破坏区,且破坏区内的单元均发生了严重岩爆;随着剪胀角的增加,岩爆区的面积显著增大,发生岩爆的单元数明显增多;围岩最大最小主应力差值在70~80 MPa之间的单元在围岩内部均形成了邻近V型岩爆区外轮廓线的V型区域,而采用Mohr-Coulomb应变软化本构模型则没有计算出围岩中的剪切破坏区,仅计算出了拉破坏区,围岩最大最小主应力差值在70~80MPa之间的单元没有形成V型区域。     

基于信号时频特征的微震波形识别在岩爆预测中的应用

在深埋地下工程施工中,需要通过监测采集微震信号分析施工过程中的岩爆风险,由于现场干扰因素多,数据中混入了大量冗余信号,大大影响了岩爆预测的效率。为有效识别出岩石的破裂信号,本文采用快速傅里叶变换,对比分析了微震/岩爆信号与其它无效信号的频率特征,采用多输入的卷积神经网络方法,建立了基于信号时频特征的微震波形识别模型,实现了对微震/岩爆信号的有效识别。基于引汉济渭秦岭输水隧洞的微震监测资料,采用3770个波形对模型进行了测试,模型识别精度可达96.1%。模型对比了不同输入方式对预测结果的影响,针对随机挑选的100次微震事件和100次无效事件,结果表明：采用信号的时频特征作为输入,模型比单纯采用时域或频域特征具有更高的精度。