基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。     

露天转地下采场围岩及覆岩变形破坏特征研究

以云南磷化集团有限公司晋宁磷矿为依托背景,借助数字照相量测技术,通过相似材料模拟试验,对20°、50°两种不同倾角条件下,露天转地下开采后,地下采场围岩与覆岩的变形破坏特征及动态演化过程进行了系统研究。结果表明:①地下采场围岩及覆岩的变形演化过程可划分为局部小范围微动、线性持续增大以及整体非线性剧烈垮塌3个阶段;②矿体倾角由20°增至50°后,边坡与地下采场围岩及覆岩的变形整体趋缓,采动影响范围小幅度缩减,沉降曲线则由非对称槽型变为碗型;③采场矿柱回收过程中,地下采场围岩及覆岩发生突发性失稳,呈现出明显的“多米诺骨牌效应”。     

采场覆岩运动仿真系统

采场覆岩的运动及采场周围支承压力分布的变化是导致采场顶板事故的最主要原因.通过对采场覆岩运动规律的总结和完善,开发了"采场覆岩运动仿真系统".该系统可以根据采场的覆岩条件及开采参数,预计采场覆岩的运动规律,为安全开采提供科学依据.     

深部采场覆岩应力路径效应与失稳过程分析

针对深部采场上覆岩层三向采动应力变化规律不清晰、采动应力变化与上覆岩层破断失稳过程之间的关系不明确等问题,提出基于应力状态与强度变化关系的三向采动应力扰动系数计算方法,揭示深部采场上覆岩层采动应力的时空演化特征与破断失稳过程。基于莫尔–库仑强度准则分析不同加卸载条件下主应力的变换形式,提出以最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比作为三向采动应力强扰动判别指标,推导得出三向采动应力扰动系数;基于弹塑性力学理论,采用3DEC数值模拟方法,分析深部采场沿工作面推进方向、工作面长度方向上覆岩层的三向采动应力大小、方向变化规律,得出工作面前方上覆岩层的采动应力扰动系数与扰动强度分区,揭示深部采场上覆岩层的采动应力时空演化特征;基于深部采场上覆岩层破断过程的采动应力与位移变化关系,将顶板岩层的破断过程细分为采动应力增加、离层、断裂失稳、顶板上部岩层断裂失稳、上覆岩层压实稳定等5个阶段,分析上覆岩层断裂过程中采动应力的变化规律,揭示垂直应力、水平应力在上覆岩层断裂失稳过程中的作用机制。以口孜东煤矿千米深井长工作面开采实践为工程背景,采用上述研究成果较好地解释了口孜东煤矿千米深井大采高长工作面矿山压力显现频繁、来压强度不大等现象。     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践

论文通过理论和实践研究,提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题,是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题,是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例,系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明,论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用。     

长壁采场覆岩空间结构探讨

基于微地震定位监测技术监测岩休在三维空间破裂的成果，以及多种边界条件工作面岩层运动和应力场的观测结果，提出长壁采场覆岩空间结构的概念，并根据采场的边界条件．将覆岩空间结构分为中间育支撑的“e”型、中间无支撑的“O”型、“S”型和“C”型4类。基于观测实例，阐述微地震定位监测技术用于监测窄间结构的形成过程和范围、采空区边缘煤体内应力计用于反演综采放顶煤采场中间无支撑空间结构内部的覆岩运动、“孤岛”煤体应力计用于判断中间有支撑空间结构煤柱变形方式等多种观测方法及这些方法在覆岩空间结构研究中的综合应用途径。最后，展望覆岩空间结构学术观点及其研究方法在采矿工程中的应用前景。     

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。     

基于震源机制解的矿井采动应力场反演与应用EI北大核心CSCD

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。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping Ⅱ project

Monitoring and prediction of rockburst remain to be worldwide challenges in geotechnical engineering.In hydropower,transportation and other engineering fields in China,more deep,long and large tunnels have been under construction in recent years and underground caverns are more evidently featured by ＂long,large,deep and in group＂,which bring in many problems associated with rock mechanics problems at great depth,especially rockburst.Rockbursts lead to damages to not only underground structures and equipments but also personnel safety.It has been a major technical bottleneck in future deep underground engineering in China.In this paper,compared with earthquake prediction,the feasibility in principle of monitoring and prediction of rockbursts is discussed,considering the source zones,development cycle and scale.The authors think the feasibility of rockburst prediction can be understood in three aspects：（1） the heterogeneity of rock is the main reason for the existence of rockburst precursors;（2） deformation localization is the intrinsic cause of rockburst;and（3） the interaction between target rock mass and its surrounding rock mass is the external cause of rockburst.As an engineering practice,the application of microseismic monitoring techniques during tunnel construction of Jinping II Hydropower Station was reported.It is found that precursory microcracking exists prior to most rockbursts,which could be captured by the microseismic monitoring system.The stress concentration is evident near structural discontinuities（such as faults or joints）,which shall be the focus of rockburst monitoring.It is concluded that,by integrating the microseismic monitoring and the rock failure process simulation,the feasibility of rockburst prediction is expected to be enhanced.     

微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用

介绍了澳大利亚联邦科学工业研究院勘探采矿局 (CSIRO)开发的用于岩层破裂监测的微震监测系统 ,为能将之应用于中国深井灾害的监测 ,提出了对软硬件改造和开发井下智能化、自动化和可视化微震监测系统的初步方案 ,这一系统的开发应用对改变我国煤矿安全状况有重要意义     

猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析

以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程中厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。     

Microseismic monitoring and numerical simulation on the stability of high-steep rock slopes in hydropower engineering

For high-steep slopes in hydropower engineering, damage can be induced or accumulated due to a series of human or natural activities, including excavation, dam construction, earthquake, rainstorm, rapid rise or drop of water level in the service lifetime of slopes. According to the concept that the progressive damage(microseismicity) of rock slope is the essence of the precursor of slope instability, a microseismic monitoring system for high-steep rock slopes is established. Positioning accuracy of the monitoring system is tested by fixed-position blasting method. Based on waveform and cluster analyses of microseismic events recorded during test, the tempo-spatial distribution of microseismic events is analyzed.The deformation zone in the deep rock masses induced by the microseismic events is preliminarily delimited. Based on the physical information measured by in situ microseismic monitoring, an evaluation method for the dynamic stability of rock slopes is proposed and preliminarily implemented by combining microseismic monitoring and numerical modeling. Based on the rock mass damage model obtained by back analysis of microseismic information, the rock mass elements within the microseismic damage zone are automatically searched by finite element program. Then the stiffness and strength reductions are performed on these damaged elements accordingly. Attempts are made to establish the correlation between microseismic event, strength deterioration and slope dynamic instability, so as to quantitatively evaluate the dynamic stability of slope. The case studies about two practical slopes indicate that the proposed method can reflect the factor of safety of rock slope more objectively. Numerical analysis can help to understand the characteristics and modes of the monitored microseismic events in rock slopes. Microseismic monitoring data and simulation results can be used to mutually modify the sensitive rock parameters and calibrate the model. Combination of microseismic monitoring and numerical simulation provides a more objective basis for the numerical model and parameters and a solid mechanical foundation for the microseismic monitoring.     

Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring

Rock mass damage assessment is required for many applications in rock engineering practice including support design, contamination transport control, stope design, amongst others. While various methods such as displacement measurement, seismic refraction, and direct observation using borehole camera have been used, relatively few efforts have been made to use microseismic monitoring to quantify the rock mass damage. From laboratory tests, it is well known that microseismic events are indicators of fracturing or rock damage as the rock mass is brought to failure at high stress. By capturing the microseismic events, underground excavation induced rock mass degradation or damage can be located but can the amount of damage in terms of changes to strength or deformation properties be measured?

In the present study, a method of characterizing rock mass damage near excavations based on microseismic event monitoring is developed and a damage-driven numerical model is presented that takes the microseismic data as input to determine the damage state described by fracture density. The approach is built on the discovery that a realistic crack size corresponding to a seismic event can be established by applying a tensile cracking model instead of the traditional shear model, commonly used in earthquake analysis. The rock mass is softened by the introduction of cracks and this is simulated by a micro-mechanics based constitutive model. The material property input for the model are Young's modulus, Poisson's ratio of the intact rock, and information obtained from the monitoring of microseismic events such as the location and the source size of each event calculated from source parameters. Using data from the Atomic Energy of Canada Limited Mine-by Experiment, this model has been verified by investigating the linkage between microseismicity, rock mass damage and ground deformation. It is found that when damage related softening based on microseismic data is considered, predicted rock mass displacements are in good agreement with extensometer measurements.     

基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

简要介绍微震监测技术基本原理及冬瓜山微震监测系统的组成和结构,运用微震监测系统对冬瓜山矿床首采区段不同时段的地压活动集中区进行圈定,采用量化地震学原理开展岩层应力变形强度分布研究,揭示开采诱发地压活动的时空变化规律,初步评价盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及稳定性。研究表明,地压活动相对集中区的变化与井下采掘活动紧密相关,各地压活动相对集中区与采掘工程施工位置相对应,在时空上随采掘活动的改变而发生变化。采场回采区内的地压活动相对较稳定,掘进活动区内的地压活动分布较分散且随采掘活动的结束很快减小或消失,目前首采区段岩层是稳定的。实践证明,微震监测技术为深井矿床开采地压活动规律研究提供一种有效技术手段,研究成果为指导矿山安全生产奠定重要的基础。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究

微震监测技术是深部矿床地压监测的重要手段。简要概括了凡口铅锌矿深部矿床赋存条件、地压特征、地压灾害以及建立微震监测系统的必要性;对建立的16通道微震监测系统的组成、监测系统的性能、微震监测范围进行了详细介绍;通过对传感器布置优化分析,绘出传感器布置的一个优化分析结果的震源定位等值线实例图。采用人工放炮产生的震源对微震监测系统的震源定位性能进行测试,绘出测试结果和系统监测定位图,并比较实际测量和系统监测分析结果,两者结果对比表明,在传感器阵列内的震源定位误差不大于5m时,监测系统对震源具有较高的定位精度。采用该套系统对深部采区的大爆破余震进行监测发现,余震事件大多发生在数分钟之内,这表明目前采区围岩的稳定性较好。     

基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用

采动条件下岩体发生渐进损伤诱使裂隙萌生、发展和贯通,继而形成导水通道诱发突水灾害。该过程涉及裂隙演化及岩石损伤等问题,使得突水灾害具有动态复杂性的特点。显然,从理论上准确解译突水通道及其演化规律是十分困难的,需要依靠现场监测和数值模拟手段。为此,从"岩体变形破裂过程中,微震现象的主要本质是裂隙的扩展"学术观点出发,建立了基于微震反演裂隙的各向异性损伤模型,并将该模型与FLAC^3D数值模拟分析相结合,期望将岩体宏观力学行为与裂隙发展相联系。最后,将研究成果应用到张马屯铁矿注浆帷幕突水通道分析中:对帷幕失稳区损伤系数及损伤张量进行了分析;标定了突水通道;并从渗流–应力–损伤角度建立三维数值计算模型,研究了帷幕与采场之间围岩应力及屈服特性,确定了岩体采动诱发突水通道特征及其形成机理,以期为矿山安全开采和水治理设计提供帮助。