岩爆孕育过程的动态调控

针对岩爆孕育过程的特征、规律和机制,提出“优化开挖方案减少应力和能量聚集→预释放和转移能量→设计合理的支护参数吸收能量”的岩爆“三步走”防控理论以及在此基础上基于开挖过程中微震信息时空演化的岩爆动态调控理论.在施工过程中,根据实测到的微震信息演化规律进行岩爆等级预警,据此进行反馈分析和动态调控,运用“三步走”防控对策进行及时的开挖速率和支护措施动态调控,以尽可能避免岩爆的发生、降低岩爆发生的等级或延迟岩爆发生的时间.所建议的方法成功地应用于埋深1 900～2 525 m的锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞的施工开挖过程中,应用过程和结果验证了所建议方法的适用性.     

深部岩体隧洞即时型岩爆微震震源体积的分形特征研究

根据即时型岩爆孕育及发生过程中微震信息的自相似性,提出了一种震源体积的分形计算方法。运用上述方法,基于锦屏二级水电站施工排水洞及4条引水隧洞施工过程中的大量不同类型、等级的即时型岩爆案例,展开微震事件震源体积分布的分形行为研究。研究结果表明:即时型岩爆孕育及发生过程中的微震信息震源体积分布是具有分形结构的;即时性应变型岩爆体积分形维数大于0.7,即时性应变–结构面滑移型岩爆体积分形维数小于0.6,这意味着根据微震事件体积分形维数可以对即时性岩爆的类型进行区分;对于即时型岩爆来说,岩爆等级越强则微震体积分形维数值越大;对于即时性应变–结构面滑移型岩爆,结构面数越多则震源体积分形维数值越小。上述研究结果可以为高地应力条件下不同类型岩爆的预测与防治提供合理的科学依据。     

基于微震与电磁辐射联合监测的多元岩爆预警方法研究

黑龙江某抽水蓄能电站在施工初期的岩爆现象显著,随着地下厂房的深层开挖亟需开展诱发岩爆的监测预警研究。首次采用微震和电磁辐射联合监测方法对水电站地下洞室诱发岩爆的前兆信息进行了识别和特征分析,提出基于微震累计能量、视应力变化梯度、累计视体积率、电磁辐射强度变化率和脉冲数变化率5个量化预警指标的多元预警方法,并在地下厂房潜在岩爆的重点区域进行了应用。研究结果表明:在岩爆诱发期,微震累计能量呈增加趋势,同时呈现视应力减小及累计视体积骤增等特征;电磁辐射强度和脉冲数波动幅度较大,围岩破坏前兆特征显著;基于联合监测的多元预警法判定的预警时间及圈定的微破裂活动空间分布与工程实际相吻合,应用效果较好,可为类似工程岩爆监测预警提供新思路。     

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。     

TBM施工岩爆微震监测的准确率及适用性研究

深埋隧道岩爆是困扰TBM施工安全和进度的重要因素,为此微震监测系统逐渐引入TBM施工对岩爆进行监测预警。然而,TBM施工微震监测的工程案例还很少,其监测预报的准确性和适用性存在争议。以新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程为依托,对岩爆微震监测预报的等级和位置进行现场跟踪验证和分析,将岩爆按风险高低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个等级,给出了不同风险等级岩爆预测的准确率和适用性。结果表明：岩爆微震监测预报的准确率随着岩爆风险等级的增强而提高,对Ⅰ、Ⅱ级岩爆基本可以实现准确定位;引汉济渭工程Ⅰ级岩爆预测的准确率达到78.4 %,14.0%的Ⅰ级岩爆被预报为Ⅱ级,Ⅱ级岩爆预测准确率为55.2%,26.1%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅰ级;ABH工程Ⅱ级岩爆预测准确率为53.3%,46.7%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅲ级;Ⅲ级岩爆预测等级和定位的准确性都比较低。综合考虑岩爆预测的准确性以及施工安全、施工速度和防控措施的因素,建议：TBM工程仅存在Ⅲ级岩爆风险时,无需引入微震监测;存在Ⅰ级、Ⅱ级岩爆风险时,宜采用微震监测,以确保施工安全。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明:深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制：即时型岩爆

论述深埋隧洞岩爆孕育过程的现场原位综合观测试验思路和方法,给出利用该方法观测到的岩爆孕育时空演化规律以及基于观测结果的关于岩爆孕育机制的认知成果。通过一系列现场深埋隧洞开挖过程中的多元信息综合观测试验,揭示深埋隧洞的即时型岩爆(隧洞开挖卸荷效应影响过程中的隧洞掌子面及其附近的围岩,开挖后几小时到几天内发生)的裂纹(萌生、扩展、张开和闭合过程)、变形、弹性波、声发射和微震时空演化规律及其在时空上的分布特征。通过对监测的微震信息进行矩张量分析,认识即时型岩爆中应变型和应变–结构面滑移型2类岩爆的孕育机制差异性：前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪–压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。该研究成果为针对时空演化规律的深埋隧洞岩爆的预测和动态调控提供了重要基础。     

微震监测预测岩爆技术在地下工程施工中的应用

近年来,随着地下工程施工领域技术装备的不断进步,隧道及地下工程的规模、埋深不断发展,一些项目所处的地质环境本身具有岩爆倾向性,加之建设过程中岩爆的孕育、发展、发生过程认识不足,监测的手段落后,导致岩爆频繁发生,施工安全隐患极大,施工现场急切需要简单、适用、准确率较高的岩爆预测方法.锦屏水电枢纽工程C2表引水隧洞的个别洞段具有极强岩爆趋势,该项目采用微震监测技术对岩爆进行预警监测,文章介绍了微震监测技术及其在工程中的运用情况.     

基于微震监测技术的岩爆预测机制研究

 以锦屏二级水电站岩爆高发洞段作为研究对象,采用微震监测技术作为岩爆监测预警手段。通过对比现场实际情况和微震监测结果,揭示出微震的时空演化与岩爆之间的关系;通过岩体损伤过程特征提取对应的微震监测事件,总结出微震事件密度云图、微震事件震级与频度的关系、微震事件震级、能量集中度等微震监测指标规律,并以地震学中的3S原理作为岩爆判断基础,提出4个岩爆判据。现场应用结果表明：在深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,应用该岩爆判据能够达到岩爆危险区域的精确预测,为隧洞的岩爆预测和微震监测预警提供依据。     

荒沟抽水蓄能电站地下厂房开挖过程微震及电磁辐射活动特征研究

为了研究黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房在深层开挖过程中诱发岩爆的前兆特征,综合采用微震与电磁辐射法对围岩微破裂进行了识别。通过分析监测范围内微震及电磁辐射活动的时空分布规律、诱发微破裂的前兆信息及监测结果的相关性,结果表明:(1)微震事件在空间上具有分区丛聚特征,个别聚集部位与早期岩爆位置高度吻合;不同时段内微震事件频次与外界施工扰动强度呈正相关;能量指数迅速下降及累积视体积大幅度增加,预示岩爆或大型围岩破裂事件的发生。(2)在地下厂房断层裂隙带内,电磁辐射强度的突变预示着岩爆或大型围岩破裂事件即将发生,电磁辐射脉冲数的峰值分布与局部应力场调整方向一致,且调整时间约为8 d。(3)两种监测方法分别揭示的围岩破裂空间分布基本一致,电磁辐射法所预示的前兆时间略早,而且监测结果反映的震源区局部应力场调整趋势相关性良好,即脉冲数峰值分布与震源区视应力迁移完全一致。工程实践证明,应用联合监测方法能有效识别地下工程围岩破裂等前兆信息,监测结果为深入开展岩爆监测预警提供了基础,对工程安全施工具有重要意义。     

基于深度学习的隧道微震监测及岩爆预警技术与系统研究

针对隧道工程建设中微震监测信息处理智能化不高、隧道三维可视化信息不全和隧道岩爆灾害预警难等亟待解决的问题,采用微震监测、深度学习和虚拟仿真技术,建立隧道微震信息自动一体化处理及岩爆智能预警技术体系与系统平台。提出基于双模态特征提取的微震多分类模型,建立基于深度卷积编解码网络的波形降噪–到时拾取双任务模型以及基于引力搜索法的微震定位算法,实现隧道微震分类–降噪–拾取–定位–震源参数计算的自动、高效、准确处理;选取累积视体积和能量指数震源参数作为关键指标,建立基于LSTM多变种网络的微震参数平行序列预测模型和岩爆孕育阶段判识预警模型,实现岩爆当前–未来状态时效演化的预警。同时,基于三维可视化框架Cesium实现隧址地理信息、地质模型、隧道模型、灾害(微震)信息的集成与显示,形成微震信息采集模块、微震信息云处理模块、岩爆预测预警模块于一体的隧道微震监测与岩爆预警系统。将系统应用于峨汉高速公路大峡谷隧道岩爆灾害段,实现海量微震数据的自动、高效、准确处理,验证隧道微震信息自动一体化处理及岩爆智能预警技术体系的有效性。     

电磁辐射法在某水电站岩爆监测中的工程应用

黑龙江某抽水蓄能电站现场岩爆时滞性特征显著,诱发滞后的时间最长可达1年以上,给现场岩爆监测工作带来较大困难。针对该现象,首次将电磁辐射法应用到水电工程领域,并对地下厂房周边排水廊道及重点部位潜在岩爆的前兆信息进行了监测和分析。通过采用“区域静态”与“局部连续动态”相结合的不同时空层次综合监测方法,对上、中、下3层排水廊道和f34断层影响带的电磁辐射信息进行分析,结果表明:前者电磁辐射强度和脉冲数在空间上呈现“上、下层低,中层高”的分布规律,其中施工扰动和地质构造是主要影响因素;后者电磁辐射强度在空间上分区现象显著,脉冲数在时间上呈“M”型波动的特征,断层裂隙带脉冲数峰值平均降低幅度高达76%,局部应力场调整周期约为8 d,调整方向由厂房中心向厂房右端安装间过渡,与现场施工情况一致。研究结果中电磁辐射强度在空间上的分布规律可为岩爆重点监测范围的圈定提供依据,脉冲数在监测期内所具有的波动周期及幅度则可为现场岩爆监测预警提供判据,进而说明了电磁辐射法在水电工程领域岩爆监测的可行性。后期深入研究与其它监测手段的联合应用,将有助于提高现场岩爆监测预警水平。     

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...     

岩爆微震特征的支护体系刚度效应初探

隧道工程岩爆案例表明初期支护结构体系的类型与刚度影响着破裂及微震活动的特征、机制和阶段划分,这是一个较少被探讨且亟待被揭示的问题。依托巴陕高速公路米仓山特长隧道构造碎粒岩围岩段的岩爆现象及微震监测成果,建立围岩–支护复合体系的刚度评价方法,基于震源参数指标初步探索了岩爆特征的支护体系刚度效应,揭示了刚度条件由弱变强的岩爆微震特征及演化:(1)在岩爆发育期,对围岩卸荷边界施加刚性更强的约束条件,围岩内部破裂活动趋向发生能量积累和能量转移;岩爆发育期延长,微震事件的能量、视体积类型及比重发生改变。(2)在岩爆发生期,围岩内部破裂活动趋向发生更高量值的能量释放,现场岩爆及大能量冲击灾害表现更大波及范围的特点;微震事件在短时间内迅速出现,事件率和能量率极大提升。相关研究成果可帮助认识支护结构影响下围岩破裂活动的特征、机制与阶段划分,考虑支护结构影响的围岩破坏前兆预警判据,可为科学合理的支护方式遏制岩爆风险提供实际数据和理论参考。     

双护盾TBM施工隧洞岩爆特征微震监测研究

为了研究深埋隧洞在双护盾TBM施工环境下的岩爆特征,以某公路隧道为例对微震监测成果进行了统计整理,并在此基础上分析了微震事件与掌子面位置、岩体完整性以及隧洞埋深等之间的相关关系,获取了该工程岩爆事件发生的规律。成果表明,在隧洞采用双护盾TBM开挖过程中岩爆事件并非主要集中在掌子面附近,岩爆存在一定的延迟性和超前性,岩爆发生与开挖过程的时间效应及距离范围存在一定规律。同时,岩爆的能量等级和发生频次与岩体结构及隧道埋深也存在关联性。深埋隧洞在双护盾TBM施工环境下的岩爆规律的研究对类似工程具有一定的借鉴意义。     

秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。     

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。     

煤与瓦斯突出试验的微震动态响应与特征分析

煤与瓦斯突出前兆信息的挖掘与定量描述是准确预测、预报该类灾害的前提和基础。为了研究煤与瓦斯突出的发生机制,挖掘煤与瓦斯突出灾害的前兆特征及其描述方法,开展基于微震监测的煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统,开展瓦斯突出全过程监测试验,有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响应事件。微震信号的时、频域特征存在差异性和阶段性,并与瓦斯突出过程的孕育、准备、发生以及延续和终止4个阶段相对应。为了定量描述四阶段的特征,建立微震事件数N、事件发生率R、能量和Et以及当量能量E0等微震指标,这些指标表现出明显的阶段差异性。室内试验和现场监测研究表明,煤与瓦斯突出过程存在明显的阶段性微震特征差异,利用该差异性可以描述煤岩体内微震活动演化规律进而推断其稳定性状况,为灾害的提前预测提供依据。     

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。