程潮铁矿深部开采岩爆预测

 程潮铁矿经过近40 a的开采，已初步进入深度开采阶段。为预测岩爆发生可能性及其烈度，对程潮铁矿深度－430～－700 m的部位多种岩样进行岩石力学试验，提出岩爆倾向性的多种判据。通过理论预测法分别对各种岩样的倾向性及烈度进行预测，得到程潮铁矿围岩的岩爆倾向性顺序，总结出可能强度较高的几种岩石类型及其所在深度；最后结合模糊数学综合预测法，针对已有多种指标进行岩爆倾向的综合评价，得到矿区总体岩爆倾向性及岩爆临界深度，为矿区开采设计和岩爆监测预报提供了依据     

岩爆预测的人工神经网络模型

选取岩石抗压强度、抗拉强度、弹性能量指数和洞壁最大切向应力作为岩爆预测的评判指标 ,建立了岩爆预测的神经网络模型 ,对岩爆的发生及其烈度进行预测。实例计算表明 ,用人工神经网络方法进行岩爆预测是可行有效的     

基于人工智能专家系统的岩爆烈度分级预测研究

岩爆是岩石的一种复杂动力失稳破坏。由于影响岩爆发生的因素众多,因此很难做到对其发生的可能性及烈度进行准确预测。本文基于人工智能专家系统方法,针对岩爆预测过程中出现的模糊性和随机性特点,建立了岩爆烈度分级模糊综合预测模型。通过岩爆烈度分级预测的知识获取,首先选取岩石脆性系数σ_c/σ_t、岩石应力系数σ_θ/σ_c、初始应力水平σ_1/σ_c、弹性能量指数W_(et)及岩石脆性指数Is五个因素作为岩爆评价指标,采用模糊数学方法确定各指标的模糊隶属函数及权重;然后以规则编程的形式对所获取的知识进行表示,建立了岩爆烈度分级预测专家系统的知识库,并编制了相应的分析和计算程序;最后利用国内外岩爆工程实例对所提方法进行验证,预测结果与实际情况相吻合,从而为岩爆的预测提供了一种新的有效途径。     

基于AHP-TOPSIS评判模型的岩爆倾向性预测

 为验证AHP-TOPSIS评判模型预测岩爆的可行性,依据层次分析法(AHP)与逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理论建立出岩爆预测评判模型,从岩性条件、应力条件与围岩条件3个方面选取岩爆发生的评判指标,再根据评判指标的临界值构建出岩爆等级判断准则,并通过AHP法客观确定各评判指标的权重向量,进而结合TOPSIS法分析贴近度并计算得出岩爆预测等级。实例应用得出,基于AHP-TOPSIS评判模型的岩爆预测结果与实际结果相吻合,同时与模糊数学的评判结果基本相符。该方法较全面地考虑了岩爆发生的多种影响因素,避免了单一判据的局限性,并对各种因素的重要性进行对比分析,使预测结果更为科学,可作为岩爆预测的理论依据,同时可为岩爆灾害预测提供一种可靠的新预测方法。     

模糊概率模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的一种常见地质灾害，对其发生的可能性及其烈度分级预测是地下工程建设中亟待解决的重大课题之一。以模糊概率理论为基础，选取影响岩爆的一些主要因素，如洞壁最大切向应力sq、岩石单轴抗压强度sc、岩石单轴抗拉强度st以及岩石弹性能量指数Wet，并以sq /sc，sc /st和Wet作为评价影响因子，同时将岩爆烈度划分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆和强岩爆4个等级，建立岩爆烈度分级预测的模糊概率模型。在此模型中，提出了模糊权重的概念，可充分考虑权重的模糊性。模糊概率模型不仅继承了经典模糊综合评判法的思想和优点，同时也克服了其在实际应用中评价影响因子权重取值的局限性，因而具有明显的合理性。应用该模型对冬瓜山深埋硬岩矿山、秦岭隧道工程以及某大型水电站地下厂房3个典型工程岩爆的实例分析表明，其预测结果与实际情况符合较好。为进一步考察该模型的可靠性与实用性，对国内外23个大型岩石地下工程实例进行计算分析，其预测结果与实际岩爆情况也相当吻合。由此可见，模糊概率模型为深部岩石地下工程岩爆预测问题提供了一种新途径。     

动态权重灰色归类模型在南水北调西线工程岩爆风险评估中的应用

根据现有研究成果，提出新的权重计算方法，建立了动态权重灰色归类模型；在进行岩爆预测时，提出了综合评判指数的概念，给出了新的评判方法。所提出的方法克服了传统多指标评判中采用等权重或定权重的缺点，可更为科学、准确地预测岩爆。应用该方法对南水北调西线长恰线典型洞段进行了岩爆预测，并与有限元方法进行对比，结果表明，该方法在岩爆分级预报中精度较高，具有良好的应用前景。     

基于组合权重–理想点法的应变型岩爆五因素预测分级

基于理想点法的基本理论,综合考虑了岩爆发生机理,选取围岩洞壁最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度的比值、岩石单轴抗压强度与岩石单轴抗拉强度比值、岩石弹性能指数以及岩体完整性系数作为评判预测指标,通过层次分析法和熵权理论计算主客观权重,综合确定各个指标的权重系数,构建了应变型岩爆组合权重–理想点法预测分析模型。通过统计相关工程案例,利用模型进行工程实例分析,验证了该模型的可行性与适用性。基于岩爆预测分级模型,开发了相应程序,可以为类似工程岩爆预测与等级划分提供重要支撑。     

岩爆综合预测评价方法

在综合分析岩爆发生条件的基础上，对岩爆产生的影响因素进行了系统归类，提出一种岩爆发生的综合预测评价方法，即系统决策和模糊数学相结合的层次分析-模糊综合评价法(AHP-FUZZY)。该方法较全面地考虑了岩爆灾害发生的多种影响因素，给出各种岩爆影响因素的影响程度权值，对各种因素的重要性进行了评价，避免单一判据所带来的局限性，为岩爆灾害评价提供一种新的综合预测和评价方法。     

未确知测度模型在岩爆烈度分级预测中的应用

针对岩爆烈度分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论并结合工程实际,根据岩爆的特点及成因,选取最大切应力σθ、单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt及岩石的弹性能量指数Wet,并以应力系数σθ/σc、岩石脆性系数σc/σt及弹性能量指数Wet作为岩爆烈度分级的评价指标,建立岩爆烈度分级预测的未确知测度评价模型.以国内外18组工程岩爆分析初始数据进行分级判别,根据实际情况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用熵计算各评价指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出岩爆烈度分级预测的评价结果.并与模糊综合评判法、属性综合评判法、灰色聚类法、物元分析法及实际情况的结果进行比较.为进一步考察该模型的有效性与实用性,运用该模型对秦岭隧道工程的岩爆实例进行分析.研究结果表明:该模型判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,且方法科学合理,意义明确,为岩爆烈度分级预测提供一种新思路.     

模糊可变集合与模型及在岩爆分级预测中的应用

在工程模糊集理论基础上，系统建立模糊可变集合理论、模型与方法，其中包括：差异函数的概念与定义、相对隶属度公式、模糊优选BP神经网络模型及级别特征值公式，并对相关公式进行了分析论证。提出模糊可变集合的预测方法，针对国内外一些岩石地下工程实例进行了分析，并用级别特征值对岩爆的发生与否及烈度大小进行预测，结果与实际情况吻合地较好，说明模糊可变集合综合预测方法是有效的。     

基于改进的灰评估模型在岩爆中的预测研究

岩爆是深部高地应力区岩体开挖过程中常见的一种复杂的动力失稳现象。由于影响因素众多,且各因素在岩爆的孕育过程中所起的作用尚不十分明确,可以将岩爆与其影响因素间的复杂关系当作灰色系统,利用灰色聚类方法进行研究。根据岩爆的成因及特点,选取洞壁围岩的最大切应力 、单轴抗压强度 、单轴抗拉强度 及岩石弹性能量指数 作为影响岩爆的主要因素,并以应力系数 / 、脆性系数 / 及弹性能量指数 作为评价指标,通过对灰色白化权函数进行优化,建立改进的岩爆预测灰评估模型。该模型解决了传统模型存在的灰类多重交叉性及不满足规范性等问题,理论上更完备。采用改进模型对国内外若干深部岩石工程岩爆初始数据进行研究,并与传统模型的预测结果进行对比,发现改进模型的结果与实际情况吻合更好,预测精度更高,从而验证了改进模型的有效性及实用性。研究方法为岩爆的准确预测提供一种切实可行的途径。     

岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测技术——以乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道为例

地下洞室施工期间的岩爆预测对保证施工人员安全,合理安排施工进度具有重要意义。提出一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法,实施过程中先通过开挖面及其附近岩体结构的观察,初步判断可不可能发生岩爆,然后对初步判断可能发生岩爆的部位采用便携式电磁辐射仪进行监测,通过电磁辐射能量及脉冲的变化进一步预测会不会发生岩爆及岩爆的强度。该方法综合考虑了岩爆发生的岩体结构条件和岩爆孕育过程中的能量转换及岩体微破裂频次,具有易于现场技术人员掌握、测试方便等优点,实践证明是地下洞室施工期间岩爆预测的可行方法。结合"中亚第一长隧"--乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道,系统介绍了岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法中涉及的岩爆发生的岩体结构条件、电磁辐射重点监测部位及监测方法、岩爆的电磁辐射判释指标及基准值等主要内容。     

Dynamic design method for deep hard rock tunnels and its application

Numerous deep underground projects have been designed and constructed in China, which are beyond the current specifications in terms of scale and construction difficulty. The severe failure problems induced by high in situ stress, such as rockburst, spalling, damage of deep surrounding rocks, and timedependent damage, were observed during construction of these projects. To address these problems, the dynamic design method for deep hard rock tunnels is proposed based on the disintegration process of surrounding rocks using associated dynamic control theories and technologies. Seven steps are basically employed:(i) determination of design objective,(ii) characteristics of site, rock mass and project, and identification of constraint conditions,(iii) selection or development of global design strategy,(iv)determination of modeling method and software,(v) preliminary design,(vi) comprehensive integrated method and dynamic feedback analysis, and(vii) final design. This dynamic method was applied to the construction of the headrace tunnels at Jinping II hydropower station. The key technical issues encountered during the construction of deep hard rock tunnels, such as in situ stress distribution along the tunnels, mechanical properties and constitutive model of deep hard rocks, determination of mechanical parameters of surrounding rocks, stability evaluation of surrounding rocks, and optimization design of rock support and lining, have been adequately addressed. The proposed method and its application can provide guidance for deep underground projects characterized with similar geological conditions.     

基于弹性应变能岩爆倾向性评价方法研究

岩爆是深部矿产资源开采与地下工程建设中必须解决的关键科学问题之一。以岩石强度与整体破坏准则为基础,从弹性应变能是岩爆发生的内在动力出发,建立岩爆烈度分级预测模型。研究表明:该模型考虑了原岩应力(地应力)、岩体完整性、岩石抗拉强度及泊松比对岩爆影响,反映了岩爆发生的力学要求、脆性要求、完整性要求及储能要求;揭示了岩爆既可沿洞室中心呈轴对称分布,且洞室不同部位的岩爆烈度会出现明显不同。针对无、弱、中等及高岩爆活动4个级别,提出3个分级界限值(3,10和110)。利用已有的岩爆经典模型与本文模型,对国内一些重大深部岩石工程岩爆情况进行预测,结果表明,基于弹性应变能岩爆分析模型与实际情况吻合得较好。因而,弹性应变能的岩爆分析模型,对岩爆预测具有重要的意义。     

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。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点，在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型，结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱，对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先，通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响，提出预防岩爆发生的区域性对策。然后，针对能量释放的时空演化规律，本着减压卸能的原则，给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时，在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果，给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后，应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施，实践结果表明，所提出的防治对策完全可行，可供类似工程借鉴。