顶板冒落前后微震活动性参数分析及预警

基于微震活动性参数研究在岩体稳定性预报中的重要性,探讨b值、能量指数EI、施密特数S_(cs)、累积视体积ΣV_A等微震参数在顶板冒落前后的变化,提出"能量指数与累积视体积之比(EEI)"以及"施密特数与累积视体积之比(EScs)"的概念,并将其作为岩体稳定性预测的参数。结合前人对b值与事件数在岩体稳定性预测中的研究,以这3组参数建立微震监测预报的一般模式,应用到用沙坝矿岩体稳定性预测。结果表明:b值在顶板冒落前先增大后减小的趋势具有危险预警的功能;能量指数、施密特数急剧下降以及累积视体积增加,表征了岩体内累积应变能的突然释放,预示围岩稳定性的劣化。这种微震监测预报手段综合确定的预警期更适合矿山,并留有一定的响应时间以规避风险。     

白鹤滩水电站左岸边坡开挖卸荷过程微震视应力特征研究

微震事件视应力可反映岩质边坡应力变化情况。以白鹤滩水电站左岸边坡为研究背景,分析岩质边坡爆破开挖卸荷过程微震视应力与能量、地震矩的关系,重点研究微震视应力在爆破开挖前后变化特征,结合数值模拟,通过微震视应力变化情况开展边坡稳定性评价。研究结果表明:微震视应力随地震矩和辐射能量的增大而增大;高视应力微震事件的出现可反映工程施工中的强烈爆破开挖扰动程度;通过微震视应力分布特征圈定的主要损伤区与RFPA3D数值模拟结果基本吻合;视应力急剧下降,累积视体积呈增长趋势,是边坡围岩变形的前兆信号。研究成果可为基于微震监测的类似大型岩石边坡稳定性评价提供参考。     

深埋引水隧洞塌方孕育过程微震规律研究:以Neelum-Jhelum工程为例

深埋隧洞复杂地质条件和开挖卸荷导致塌方事故频发,严重威胁现场施岩人员生命财产安全。为降低巴基斯坦Neelum-Jhelum岩岩塌方灾害对施岩的影响,构建微震监测系统,研究塌方孕育过岩微震活动的时空演化规律。研究结果表明:(1)掌子面逐渐靠近但未揭露塌方区岩体时,微震事件较少,累积释放能快速上升,累积视体积缓慢增长,能量指数突增后基本稳定;塌方区岩体开挖揭露后,微震事件较多,累积释放能缓慢增长,累积视体积突增,能量指数突减;(2)塌方区局部微震事件丛集,丛集位置岩钙质岩性交界面发育有关,多数微震事件发生于离洞壁3倍隧洞半径范围内;(3)塌方区围岩破裂机制演化规律有"先剪切,后张拉"的特征;(4)塌方的孕育有明显的阶段特征:钙质充填岩性交界面剪切滑动→围岩揭露后产生平行张拉裂纹→悬臂梁岩块受压拉裂→裂纹贯通,岩块受重岩塌落。研究结果为深部塌方灾害的预警和防治提供参考。     

大规模开采矿山地震视应力和变形与区域性危险地震预测

 大规模开采的矿山存在复杂的诱导地震活动,在高应力硬岩条件下具有产生区域性危险地震和岩爆灾害的可能性,震源的地震视应力和变形参数是地震机制和地震活动性预测研究的重要参数,对此开展研究具有重要意义。针对冬瓜山铜矿深井开采诱导地震活动,对地震视应力和位移在矿区开采过程中的时空特征开展研究,发现地震活动具有区域性分布特征,其时空分布与开采活动及矿区矿柱分布具有较强的对应关系。以此为依据,结合矿区地质构造和地应力状态,研究该矿区区域性地震机制,指出可以利用天然地震复杂震源的凹凸体理论来解释该矿区区域性地震成核机制,从而提出该矿区区域性危险性地震成核概念模型,并针对该矿地震活动的特征讨论识别成核区的方法。针对该矿区域性岩体破坏实例,分析地震视应力和变形参数时间序列特征,讨论潜在区域性地震成核区的地震活动危险性和岩体破坏性态的评价与预测。研究结果在工程实践中得到实际应用。     

矿山地震活动多重分形特性与地震活动性预测

矿山地震活动可直接揭示矿山岩体活动状态和危险性水平。利用冬瓜山铜矿矿山地震监测数据,采用广义关联积分计算地震震源空间分布的分形维,利用Gutenberg-Richter关系中的b值与地震事件能量分形维关系计算地震能量分形维,并结合开采活动及矿山结构特征,研究矿山地震活动的分形结构特性和时域谱特征。研究结果表明,矿山地震活动具有多重分形特性,它与开采活动及矿山结构特点之间存在相关性;只有当计算空间区域的地震分形结构较均匀时,其分形维才能有效应用于地震活动性预测。这些空间通常对应于采掘类型少和结构单一的空间区域。地震空间分布分形维D∞反映了矿山地震活动状态,其时域谱具有较好的主震前兆特征,可以作为地震预测的参数;D2-D∞时域谱的地震前兆性较差,较难预测主震。     

基于微震能量演化的大岗山右岸边坡抗剪洞加固效果研究

微震监测技术在岩体工程监测中获得了广泛的应用,但如何依据微震监测数据来评价岩体工程的稳定性,至今还存在很多问题。以大岗山右岸边坡工程为研究背景,基于定量微震学原理,采用微震能量密度来综合反映岩体微破裂分布特征,并在理论上推导微震能量–频度关系,提出以b_ε值来表征岩体微破裂变形程度,进一步研究了该边坡抗剪洞加固前后边坡岩体微震能量转移特征、震源机制、变形特性及其稳定性演化规律。研究结果表明,微震能量密度可以帮助识别边坡潜在危险区域,能量–频度关系中的b_ε值的变化揭示了边坡微破裂与变形的演化过程;抗剪洞加固后边坡微震事件活动率和能量密度均明显降低,边坡受力性能明显改善;边坡开挖期间抗剪洞加固区岩体微震的b_ε值小幅降低,并在抗剪洞加固后有所增加,表明抗剪洞抑制了岩体微破裂及变形,提高了边坡稳定性。通过对比工程现场变形监测结果,验证了方法的可靠性。提出的微震能量密度及能量–频度关系相结合的评价方法,丰富了工程岩体稳定性微震分析方法,可为类似岩质边坡加固措施的选择及稳定性分析提供参考。     

爆破荷载下白鹤滩大型地下厂房累积损伤机制研究

白鹤滩水电站大型地下厂房爆破开挖过程中脆性破坏频发，采用微震监测、多点位移计、锚杆(索)测力计等多种原位监测设备，全面揭示大型地下厂房爆破开挖卸荷下脆性玄武岩的力学响应行为。原位综合监测结果表明，多次爆破开挖后，围岩破裂、变形和应力均发生了一定程度的增长。进一步分析证实，围岩变形与其内部微破裂具有协调性，即爆破荷载作用下岩体逐步开裂，岩体经历裂纹压密、微破裂萌生、破裂扩展等连续破裂阶段，同时伴随围岩变形的增长。基于能量指数和累积视体积的微震参数预警方法，能够有效预警围岩宏观破坏的风险。研究表明，监测爆破荷载诱发的“破裂-变形-应力”演化信号对高应力硬岩地下工程施工方案优化及地质灾害预警具有重要的指导作用。     

基于微震信息的岩爆体积分级与判别方法研究

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统计分析可知,岩爆孕育过程中的累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震能量释放率、微震视体积率这6个指标与岩爆爆坑体积之间具有较高相关性,即岩爆爆坑的体积分布与微震参数取值之间呈现出较为明显的从低到高的层次差异性。其次,利用层次聚类分析手段,从工程实用性与可预测性的角度构建一种岩爆体积分级划分方案,以锦屏隧洞工程为例,将岩爆体积等级划分为五级,并确定相应等级的体积阈值。最后,基于改进的分类回归树(classification and regression tree,简称为CART)算法,构建了用于确定不同岩爆体积等级下各微震参数判别阈值的决策树,形成岩爆体积等级的6个单微震参数判据;进一步,提出一种基于多微震参数的岩爆体积等级综合判别的蛛网图方法,并通过案例反分析确定相应的判别准则,利用该方法可快速实现洞室开挖过程中岩爆潜在规模等级的判别。对收集...     

深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析

 针对深埋硬岩隧洞TBM掘进过程中开展微震实时监测存在的困难与不足,对现有微震监测技术进行优化与改进,并在锦屏II级水电站3#引水隧洞TBM施工洞段开展微震实时监测。监测结果表明：(1) TBM施工环境噪音复杂,但主要噪音特征明显,可通过建议的滤波方法有效滤除。(2) 围岩的微震活动和TBM掘进及掘进速率具有明显的关系,TBM掘进速率增加,围岩微震明显活跃;TBM掘进速率降低,围岩的微震活动明显降低;微震平静期发生在TBM检修期间,最活跃期发生在TBM检修后掘进4～6 h。(3) 一些岩爆发生前,微震事件和能量释放在空间上由随机离散状态变得相对集中,在时间上微震事件的数量和能量有一个迅速增加的趋势;视体积有突增趋势,能量指数有突然下降迹象。(4) 在深埋隧洞TBM掘进过程中进行微震实时监测,可以获得岩爆发生前的有效微震信息,获得岩爆发生前微震活动的演化特征与规律,为岩爆的发生提供较为准确的预警信息。因此,通过微震监测预测预报深埋隧洞TBM掘进过程中岩爆的发生是可行的。     

基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析

为研究锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育及发展过程,利用构建的微震监测系统对^#3引水洞的TBM掘进过程进行全天候连续实时监测。通过获取大量微震监测数据,分别从微震事件的时空序列分布、事件活动率、微震能量、能量密度及视体积对隧洞岩爆前各参数变化特征进行分析,并从动态裂纹扩展角度揭示了岩爆孕育过程中微破裂的萌生、发展、扩展直至相互贯通的宏观破坏机制,初步探讨了微震活动演化规律与岩爆间的时空内在联系。监测与分析结果表明：多数岩爆都存在有可被微震监测定位的微破裂前兆,微震活动率、微震能量及累积视体积均有不同程度的上升趋势。部分岩爆的驱动源由本地岩爆能量与转移能量之和获得,即E_驱动=E_本地+E_转移,强岩爆可再次诱发邻近位置产生岩爆。研究结果,初步证明了利用微震监测系统对深埋隧洞岩爆进行实时监测的可行性。     

综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究

综放工作面开采速率影响着工作面围岩应力重新分布和变形破坏的结果。主要归结于：（1）开采速率的不同影响围岩应力转移过程的完整程度；（2）开采速率的不同造成单位时间开采截深的变化，从而影响了围岩的加卸载过程以及加载速率的变化；（3）开采速率的不同对岩石蠕变时间有一定的影响，从而影响岩石的变形及应力分布。以谢桥煤矿为工程背景，通过数值模拟分析，揭示开采速率对工作面围岩应力影响的规律。随着综放工作面推进速度的增加，工作面周围应力降低区的面积减小：与之对应，工作面周尉岩体破坏区的范围减小工作面前方峰值应力向丁作面靠近，峰值应力变大；围岩岩体的变形时间缩短，工作面周围岩体的位移减小。提出适当提高综放开采推进速度有利于工作面管理和安全生产。     

基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

基于震源机制解的矿井采动应力场反演与应用

 为反演采动应力场,以老虎台矿井为研究背景,应用地震学的岩体破裂震源机制解答方法,求解出矿井范围81个强矿震的震源机制,结合现场调查和地应力测量,分析矿井尺度岩体采动应力场的规律。研究发现：由于不同性质断层的切割和不同的采动方式,导致采动过程矿井范围岩体主应力性质并非一致,表现出分区特征;一个共性特征是,相对于原岩应力场,采动应力场最小主应力轴由近水平转变为近垂直;进入深部开采,正断层不只是流体的存储空间和运移通道,其在采动应力作用下可活化异变为逆冲断层运动,并可灾变为强矿震能量释放;震源机制解对矿柱失稳、顶板大规模垮落、正断层逆冲灾变、逆断层活化等具有明确指示意义。矿井布设工程度微震监测系统,跟踪、反演分析采动过程岩体破裂机制,可以超前发现采动断层活化与异变成灾趋向,及时采取防范措施。     

中国盐岩能源地下储存可行性研究

选定我国江苏金坛盐矿为示范工程，通过深部盐岩的力学及蠕变试验，研究了深部盐岩的变形规律，建立了深部盐岩溶腔的腔体变形三维计算模型。结合示范工程的具体地质条件，对深部地下盐岩溶腔的洞形、稳定性及长期稳定性进行了数值模拟，研究了不同压力下溶腔容积的变化规律。通过现场储气库压腔试验，验证了计算分析采用的参数合理性。研究结果表明，从地下工程稳定性方面来看，利用我国盐岩实施能源储备是可行的。     

深井岩爆微震监测预警与防治成套技术研究

为了研究深井回采过程中岩爆危险性实时监测预警的可能性和有效防护技术,以三山岛金矿深部试验采场为工程背景,首先,基于三维微震监测技术,对微震事件的"时、空、强"分布特征进行分析,得到微震活动率、能量释放率、连续性指数与日单事件平均能量"四位一体"的岩爆评价指标,确定岩爆可能发生的时间范围及危害程度;其次,通过微震三维定位技术,对可能发生岩爆灾害的危险区域进行圈定,确定岩爆可能发生的空间范围,成功地预测了两段轻微岩爆发生时期及具体发生位置;最后,通过采用高应力卸荷技术和柔性支护技术相结合的岩爆防治措施,将高应力进行阻隔和转移。事实证明:通过合理的岩爆监测手段,采取有效的岩爆防治措施,可以保证深部采场的安全开采。     

温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究

以深部开采为背景,讨论了温度和压力对深部岩石变形和破坏规律的影响。将岩石的屈服破坏过程视为能量释放和能量耗散的过程,根据最小耗能原理导出了温度和压力耦合作用下的深部岩石屈服破坏准则。该准则具有明确的物理意义,即当岩石的塑性耗散能及温度梯度引起热传导的耗散能累积耗散到一定程度时,岩石就会发生破坏失稳。     

深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究

 以新巨龙公司2301N综放工作面过断层为工程背景,通过微震监测、数值模拟和理论分析等方法,对深井特厚煤层断层活化规律进行研究。得到的主要结论为：(1) 根据2301N工作面微震监测结果,将断层活化分为应力显现阶段(距断层274.8～214 m)、蓄能阶段(距断层214～84 m)和结构活化阶段(距断层84～0 m),并采用数值模拟进行了验证;(2) 工作面过断层期间存在断层活化型冲击和断层煤柱型冲击2类动力灾害,断层活化型冲击的机制主要是开采诱发断层两侧煤岩体积聚的构造应力释放,断层煤柱型冲击地压机制主要是工作面开采引起断层煤柱应力的高度集中;(3) 根据工作面过断层期间冲击地压发生机制,提出相应的防治技术,并进行现场验证,保障了工作面的安全开采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。     

采矿引起的倾倒滑移变形机理及其控制

倾倒变形边坡一般具有反倾边坡结构,其变形的过程和机理比较复杂,涉及的变形岩体范围较大、危害严重。通过岩体位移监测资料的跟踪分析、并对抚顺西露天矿典型高边坡倾倒滑移变形体进行了数值模拟试验,分析探讨了采矿活动作用下的倾倒滑移体变形机理及其对地面变形的影响。分析结果表明,采矿引起的倾倒滑移变形问题是在特定的地质构造和采矿工程条件下产生的,边坡体反倾段岩层变形在整个边坡的变形中起主导作用,地表地基变形主要由断层南侧倾倒滑移体的变形所致,并针对实际问题提出了变形整治方案。     

深埋硬岩矿床岩爆控制研究

冬瓜山铜矿是我国开采的首家有岩爆倾向的深埋硬岩金属矿山，对此开展了岩爆控制研究。应用该矿床典型岩石的变形全过程试验及峰值荷载变形条件下的松弛试验等室内试验结果和现场岩爆调查资料，分析了该矿矿岩的岩爆倾向性和井巷岩爆特性，从岩爆控制角度，采用数值分析方法以能量释放率为衡量指标，对采场结构参数、开采步骤等进行了优化。在此基础上，提出该矿床开采采用控制能量释放、减少能量储存、合理支护和进行岩爆监测等岩爆控制的原则和措施。