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。     

基于矩张量分析的特大山体破坏前兆孕震机制研究

工程岩体震源机制研究是岩体破坏灾害监测预警研究和应用的基础。针对一次特大爆破诱发的采空区上覆岩体产生特大破坏案例的前兆微震定位数据,采用矩张量理论对前兆微震源定位事件进行震源机制解反演,计算监测所得微震定位事件的矩张量并进行分解,获得纯双力偶成分M_(DC)分量;采用Feigner和Young矩张量破裂判据计算得到破坏类型判别参数R值,对前兆微震事件的岩体破裂类型进行判断,同时根据矩张量分量计算震源体积不变部分参数T和体积变化部分参数k,据此绘制并研究哈德森震源类型T-k图。分析表明,前兆微震源的破裂类型主要为剪切破坏;进一步根据矩张量分解所得纯双力偶成分M_(DC)分量,解得岩体震源处的断层参数。将震源机制解分析得到的前兆微震事件剪切破裂类型与现场山体宏观剪滑破坏相对比,其结果是基本一致的。研究表明,基于微震矩张量理论对前兆震源机制解的分析,可较为准确地判断中尺度工程岩体破裂类型,该研究可作为进一步的中尺度工程岩体破裂机制研究以及岩体工程灾害预警研究参考。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

基于赤峰铅锌矿微震监测系统的应用研究

基于矿山微震监测技术的安全监测系统在我国矿山的推广使用为我国矿山安全事业开辟了一条从本质上分析预测矿山地质灾害的新路。由于其监测本质是微破裂所发射出的微震波,所以所有与岩体微破裂有关的灾害,都有通过这种技术来监测和预报的可能。主要就赤峰铅锌矿的微震监测系统的应用成果进行了总结,结合该矿采空区的特殊环境,指出微震系统监测的重点方向和原系统设计方案的不足,开发了微震监测系统用于矿山灾害预报救援的功能。     

高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用

 为了监测导水通道(断层、陷落柱等)在采动影响下的动力学活动和失稳过程,以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报,利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术,充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素,结合速度结构、检波器一致性等校正技术,实现微震震源的高稳定、高精度定位;优化布置微震监测台网,对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测,通过对定位结果的三维展示和分析,得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数,实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明,微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数,是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术,从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报,是突水监测预警的重要的发展方向。     

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...     

岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从岩体渗流损伤耦合方程、突水试验监测等方面总结目前岩体破坏突水模型及预测预报研究现状,认为破坏诱发渗透性演化方程和破坏引起有效应力方程的修正是建立描述破坏渗流机制的关键。通过现场实例分析及提出的数值模型的讨论,提出“采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂（微震活动性）是矿山突水前兆本质特征”这一学术思路,认为突水预测预报研究发展趋势为依托实例工程,采用渗流耦合力学理论、计算科学技术和高新微震测量技术手段,在深层次上对采动岩层破坏突水通道形成特征、突水岩层微震活动前兆信息和并行渗流耦合数值仿真结果进行综合反演,通过微震活动信息来基准标定突水模型,达到揭示岩层破断突水前兆规律及定位突水通道的目标,为建立矿山突水灾害预测预报奠定理论基础。     

降雨入渗对浅埋采场稳定性影响的微震监测分析

简要叙述香炉山钨矿的工程地质背景、开采背景及地压特点,针对2012年以来各年度降雨入渗对该矿采场稳定性影响问题进行微震监测与研究,对降雨入渗诱发采场失稳典型案例和对采场地压活动影响规律进行微震监测量化分析,并对降雨入渗诱发采场失稳机制进行简要分析。结果表明,受降雨入渗影响,采场失稳垮塌前井下微震事件水平明显升高,垮塌区域附近传感器微震水平超预警值;矿山在垮塌后整体上出现了大范围的应力转移与重分布,应力转移到"矿体整体拱形"的周边,并且在应力重分布过程中出现了局部岩体破裂垮塌,在经历近两个月的应力调整后,井下岩体逐渐趋于稳定;井下采场微震事件水平变化具有随降雨量整体上呈周期性变化特点,微震活跃期与雨季降雨之间有一定的滞后期,即说明地压活跃程度随降雨量的增加而增加,降雨入渗是造成香炉山钨矿采场失稳的重要诱因。最后,提出雨季地压灾害防治措施。研究成果对量化评估降雨入渗对浅埋矿山稳定性影响、保障井下安全生产有着重要的意义。     

地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察中的应用

 介绍当前地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察领域的应用现状,剖析GSR的基本原理和分析方法,指出GSR是以声波测井数据为基础,并从地质力学的角度考虑各种因素(如矿层、裂隙等)对波速的影响;强调GSR不是要评估岩体的强度,相反,它是提供一种对岩体性质进行定量、综合的评估方法。使用的测井类型分别为声波测井、伽玛测井和密度测井。工程实践表明,地球物理测井方法在识别岩体内部的性质及变化规律方面,有其自身的优势,尤其是在软岩区域圈定、关键层识别、底板突水危险区勘察方面,具有直观、定量表述的优越之处;GSR与单轴抗压强度的对比结果证明,“单一岩体强度指标反映岩体性质”有一定的局限性,GSR的结果更符合现场情况;三维地震勘探与GSR的耦合分析方法,为对钻孔之间的“盲区”探查提供了有益的帮助,是原位探测隔水关键层的有效方法。最后提出基于地球物理技术的“矿山岩体性质原位研究”的基本思路,即利用测井技术对矿山岩体性质进行开采前的三维“静态定量”描述;借助于微震、电磁辐射等监测技术,在煤矿开采过程中对岩体破坏规律的三维“动态定量”描述。     

构造活化的微震监测与数值模拟耦合研究

 Microseismic monitoring technology is applied to the catastrophe process monitoring of geological anomalous bodies,such as faults,karst collapse columns and high angle fractured zone long wall face. It provides dynamic information including propagation,growth and failure of the channel for warning the underground water inrush hazard of dangerous working face. Coupling analysis of displacement field and stress field of surrounding rock at the working face by numerical simulation method and the activation information of geological anomalous bodies such as faults,karst collapse columns and high angle fractured zone obtained by microseismic monitoring technology is conducted to reveal the mechanism of tectonic activation and mutation induced by mining. According to the coupling analysis results,combined with the distribution of faults,karst collapse columns and high angle fractured zone at tested working face,some targeted water proof and control projects are implemented. The analysis results prove that the coupling analysis method of microseismic monitoring and numerical simulation can be used to study the tectonic activation and can provide guidance for water proof and control of mining project.     

电阻率层析成像法监测系统在矿井突水模型试验中的应用

 为实现矿井突水过程中岩层断裂和渗流通道形成过程的实时监测和前兆信息捕捉,将三维电阻率层析成像法作为一种实时成像监测手段尝试引入到矿井突水模型试验的监测工作中。采用具有自动采集功能的电阻率层析成像监测系统,实现介质电阻率变化数据的实时动态监测。提出优化反演效率的计算方法,利用Cholesky分解法求解电阻率层析成像正演中的大型线性方程组,利用预条件共轭梯度法求解反演方程,由此建立三维电阻率层析成像实时反演方法,实现原始数据的快速反演和动态图像的实时输出。提出以电阻率层析成像法为主,结合原始视电阻率数据分析和关键点数据时程曲线分析的多参数监测分析方法。在试验过程中,利用层析成像法得到防突层裂隙产生、扩展直至贯通的实时动态图像,得到主要裂隙和渗流通道的产生位置、形成过程等信息,与实际情况基本一致。综合3种方法的分析结果,得出防突层发生突水断裂的诱因,并确定捉到确切前兆信息的最早时,该时刻比突水发生时刻提前998 s。模型试验证明,电阻率层析成像系统有效地反映岩层断裂及渗流通道的形成过程,成功地捕捉到一系列前兆信息,为突水灾害的及时预警预报提供重要参考。     

覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究

 通过工程探测和理论分析,就海孜煤矿745工作面巨厚火成岩条件下顶板异常突水事故的机制进行深入研究。研究结果表明：距开采煤层62 m的巨厚火成岩下封闭的离层区积水是引发745工作面异常突水的水源;按传统估算方法计算导水裂隙高度为25.3～36.5 m,不会沟通巨厚火成岩下的离层区积水,但由于离层区积水的载荷传递作用,导致下部2层亚关键层发生复合破断,使得顶板导水裂隙高度异常发育,沟通了离层区积水,这是引发745工作面异常突水事故的原因。突水机制表明,可以通过向积水离层区施工放水钻孔的方法来防治此类突水事故。     

煤矿底板潜在突水危险区微震识别研究

为提高微震数据后期分析的直观性,便于对回采过程中底板潜在突水危险区的分析与识别,利用聚类分析法对某煤矿微震事件的时空分布进行了分析,结合现场开采活动,有效区分了微震事件聚集区。通过理论计算与数值模拟获取正常采动影响下顶底板破裂高度,对比研究微震事件聚类分析结果,将该矿微震事件分布在垂直方向上划分为高位异常区、正常影响区和低位异常区。结合现场工程地质概况与涌水量资料,确定低位异常区即为底板潜在突水危险区。利用研究结果,最终构建了底板潜在突水危险区微震识别的一般模式。     

基于背景应力场与微震活动性的注浆帷幕 突水危险性评价

 为了研究背景应力场、微震活动规律和突水危险性之间的关系,结合张马屯铁矿注浆帷幕共同体堵水工程,运用已经建立并运行的ESG微震监测系统,圈定微破裂形成并积聚的三维空间,划分注浆帷幕共同体的突水危险区域。通过三维有限元程序MSC.PATRAN建立矿帷幕共同体的三维力学模型,模拟高水压下的背景应力场分布,得到矿帷幕共同体的应力场集中区域。二者对比结果表明：帷幕西南区域和矿体采空区两侧积聚了大量的微震定位事件,微震活动性信息较为明显;而在上述2个区域,高水压力和开采扰动使原应力场发生极大改变,出现了明显的地应力集中现象,说明应力场的扰动会诱发微破裂的萌生、发展和贯通。微震活动规律与背景应力场表现出了很好的一致性,采用不同的科研手段分析和预测注浆帷幕共同体背景应力场和微震活动规律的前兆性信息特征,并且初步评价其突水危险性。研究成果可以指导工程技术人员采取相应的开采方式和防治措施,为井下开采活动的正常运行提供安全保障。     

急斜特厚煤岩体耦合致裂应用研究

 为达到更好的煤岩体致裂效果并弥补爆破与注水方式的缺点,提出耦合致裂工艺及其分析方法与流程。以急斜特厚煤岩体耦合致裂为工程背景,完成复杂环境下煤岩体耦合致裂方案设计,采用BP神经网络对耦合致裂后煤体的可放性(U)进行预测,对比分析不同方法间U的差异,最后采用微震监测的方法分析岩体的卸压效果。结果表明：耦合致裂工艺是提高急斜特厚煤岩体冒放性和解除应力集中的有效方法,煤岩体耦合致裂分析流程实现了耦合致裂效果的评估。BP神经网络预计在高阶段煤体和常规阶段煤体交叉区域预测的数据仍具有一定的可靠性,可以实现煤体耦合致裂效果的评估。注水期间、注水后以及爆破后,低等级的微震事件次数略有上升,但高等级事件数下降的能量远大于新增低等级事件数的能量,注水后释放能量仅是注水前的12.5%,地面爆破后释放的总能量与爆破前相比降低了51%。耦合致裂效应突出表现在将高等级的微震能量转化为较多低等级能量事件的缓慢释放,降低了动力灾害的频次和程度,促使高压力缓慢释放、主动诱导→集中释放,实现了动态灾害显现向静态缓慢释放的转变。实践结果反映出在煤岩体的耦合致裂措施下,顶煤的冒放性和动力灾害问题均得到较好的控制和解决。     

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。     

裂隙岩体深埋长隧洞断裂控水模型及突、涌水量多因素综合预测

 由于深埋长隧洞围岩的力学、水力学特性明显区别于浅埋隧洞,且深部岩体不易勘探,因此深埋隧洞突、涌水量预测难度较大。针对高地应力、高水力梯度和高地温等复杂的深部地质环境,结合南水北调西线工程,提出了以断裂控水模型为基础的多因素综合评判方法。该方法是以大型断裂带为主要地下水通道的宏观地质模型作为基础;再分别研究对突涌水有影响的各种深部地质环境因素的影响规律;最后对宏观模型估算的突、涌水量进行综合修正。该方法为评价深埋长隧洞突涌水和隧洞施工与防护提供一种新的思路。