基于区域化变量及RMR评价体系的金川III矿区矿岩质量评价

岩体质量的全面评价是自然崩落法矿山可行性研究和初步设计的重要前提和依据。RMR体系是通常采用的综合性评价方法,以钻孔或坑道的局部RMR评价值来表征整个区域的岩体质量具有片面性。因此,以金川III矿区1554水平以上的岩体质量调查数据为样品,首先对其空间结构性及变异性进行了分析,得出调查区RMR参数指标具有区域化变量特征的结论;其次,建立了评价范围内各类工程和岩性区段的三维表面模型,并对该模型用长方体单元进行了离散;然后,借助区域化变量最优无偏估值方法,对各离散单元块的RMR参数指标进行推估,建立了反映全局变化的矿岩质量三维可视化RMR评价模型;最后以RMR评价模型为基础,根据Laubscher崩落图对矿岩初始和持续崩落的水力半径进行了计算。结果表明：III矿区的RMR均值为39.8,矿岩可崩性属较好到很好。预测金川III矿区平均持续崩落水力半径为20.4 m。     

基于卡方检验法对长白山龙门峰裂隙岩体统计均质区划分

岩体统计均质区是裂隙岩体研究的一个重要内容,是三维裂隙网络等的基础研究范围。在列联表卡方检验基础上建立起考虑裂隙岩体迹长的方法用来划分岩体的统计均质区,即在统计均质区划分过程中考虑裂隙迹长的因素,通过列联表卡方检验建立两对比样本,计算对比样本各属性之间的实际频率,计算卡方值与临界卡方值。在判断样本之间是否具有统计相似性的基础上,建立了确定统计均质区的划分方法,使得裂隙岩体统计均质区划分更为全面与客观。     

基于地球物理资料的九瑞矿集区三维地质模型分析

基于MAPGIS K9平台开发的立体填图图示系统,用综合地球物理解释推断剖面构建了江西九瑞(九江瑞昌)矿集区三维地质模型,并通过矿集区的2个不同目标层位的查证钻孔,验证了该三维模型的精确程度。在该三维地质模型基础上分析了九瑞矿集区深部地层、岩体、构造等地质情况,为探索九瑞地区深部矿产资源远景区提供更为直观的信息。     

多源数据三维地质结构模型约束的属性建模方法：以北京市通州城市副中心为例

支持多源异构数据的三维地质建模方法一直是三维地质建模研究的重点和难点之一。本文以北京市通州城市副中心工程地质勘察为例,设计了一种多源数据三维地质模型自动建模方法。该方法首先在数据预处理阶段,利用剖面、地震剖面解译及等值面(线)等数据生成虚拟钻孔,从而将异构的多源数据统一转换成同构的虚拟钻孔数据,然后利用钻孔和虚拟钻孔实现三维地质结构的自动化建模;根据已构建的三维地质结构创建属性模型结构约束,采用六面体网格或四面体的单元结构构建属性模型网格;属性模型网格中的每个属性块通过三维空间插值方法进行属性赋值,然后将属性变化映射为颜色变化,建立了相应的三维地质属性模型,实现了多源数据三维地质结构模型约束的属性建模。该方法已经应用在工程地质勘察和城市地下空间开发等领域,通过使用多源异构的建模数据,使构建的三维地质模型更加完善,有助于三维地质模型的推广和应用。     

裂隙岩体块体化程度评价方法的若干问题修正

块体化程度是评价岩体完整性的一种新指标,能从三维角度表征岩体破碎程度,但目前该方法仍存在未充分考虑岩体切割程度及块体规模、未限定基础应用条件、块体化程度等级划分不合理等缺陷。针对上述缺陷,深入分析了其产生原因,并借鉴岩体切割程度、三维块度模数、体积RQD等计算原理,限定了块体体积百分比相关概念,提出了考虑岩体完整性块度尺寸效应的块体体积综合百分比计算方法,确立了块体化程度等级及分级指标取值依据,建立了修正的块体化程度评价方法。通过对比块体化程度评价修正方法、岩土工程规范对岩体完整性的划分结果,分析了修正方法的合理性。分别以广西铜坑矿锌多金属矿体、乌东德水电工程的块体研究数据为基础,开展了修正块体化程度评价方法的实例验证,结果表明：利用修正块体化程度评价方法计算的铜坑矿+255 m中段4#试验区岩体块体体积百分比为11.18%,属轻度块状化岩体;乌东德水电站PD49-1平硐、PD4支硐块体体积百分比分别为12.847%、10.168%,均属于轻度块状化岩体,岩体完整性程度为较完整级别。与现有块体化程度评价方法比较,修正方法计算的块体体积百分比能够更准确地从三维角度表征真实岩体的完整性。研究成果对精确刻画岩体三维完整性具有重要意义。     

裂隙岩体块体化程度评价方法的若干问题修正

块体化程度是评价岩体完整性的一种新指标,能从三维角度表征岩体破碎程度,但目前该方法仍存在未充分考虑岩体切割程度及块体规模、未限定基础应用条件、块体化程度等级划分不合理等缺陷。针对上述缺陷,深入分析了其产生原因,并借鉴岩体切割程度、三维块度模数、体积RQD等计算原理,限定了块体体积百分比相关概念,提出了考虑岩体完整性块度尺寸效应的块体体积综合百分比计算方法,确立了块体化程度等级及分级指标取值依据,建立了修正的块体化程度评价方法。通过对比块体化程度评价修正方法、岩土工程规范对岩体完整性的划分结果,分析了修正方法的合理性。分别以广西铜坑矿锌多金属矿体、乌东德水电工程的块体研究数据为基础,开展了修正块体化程度评价方法的实例验证,结果表明:利用修正块体化程度评价方法计算的铜坑矿+25 5 m中段4#试验区岩体块体体积百分比为11.18%,属轻度块状化岩体;乌东德水电站PD49-1平硐、PD4支硐块体体积百分比分别为12.847%、10.168%,均属于轻度块状化岩体,岩体完整性程度为较完整级别。与现有块体化程度评价方法比较,修正方法计算的块体体积百分比能够更准确地从三维角度表征真实岩体的完整性。研究成果对精确刻划岩体三维完整性具有重要意义。     

栾川矿集区地学大数据挖掘和三维/四维建模的资源-环境联合预测与定量评价

21世纪地球科学的“第四范式”与第四工业时代以及5G+智能通信为矿业开发与环境防护的关联研究提供了新契机。以地球动力学背景、成矿过程、定量评价“三位一体”的地学理论为基础,以栾川矿集区为例,运用地学大数据(多维多尺度的地质、地球物理、地球化学、高光谱与高分辨率遥感(多时相)以及实时矿业等数据)的深层次人工智能挖掘和三维/四维多学科多参数多尺度建模技术平台,开展矿集区至矿床多尺度的三维地质模型、成矿过程模型和定量勘查模型构建及其资源的定量预测评价,旨在实现数字矿山的高精度三维地质(岩石、构造、水文、土壤等)环境保护和资源综合开发利用的动态评价,为研究区矿产资源与矿山环境可持续发展提供科学依据。研究结果概述如下:(1)地球科学大数据关联矿集区资源预测评价。利用三维地质建模、地质-地球物理正反演解译、地球化学与遥感等地学数据深层次挖掘,结合自主研发GeoCube2.0集成软件,实现了栾川矿集区(500 km²,深部2.5 km)的深部靶区优选和矿产资源综合评价,Mo资源量650万t,W资源量150万t, Pb-Zn-Ag累计具有500万t资源量。(2)地质、矿床与勘探的三维地学建模关联矿山环境。南泥湖—三道庄—上房矿山露采场与骆驼山深部巷道勘探与采矿的资料表明,区域NW向的斑岩夕卡岩型矿床与矿体与地下水空间关联度不高,而成矿期后通常具有张性或张扭性特征的NE向断裂是地下水运移的通道;在NW向Pb-Zn矿床地段具有显著淋滤特征的次生金属矿产出,浅表的氧化铅锌矿与锰铁矿伴生孔雀石化、铅华等水蚀作用;高海拔Pb-Zn矿区且NE向断裂构造发育的冷水、百炉沟地段存在地下水污染风险。(3)智慧矿山构建关联资源环境评价与决策。在大型矿山建立三维地质模型并关联矿区古采洞、露采场与深部巷道工程,实现矿业合理定位和可持续发展;利用高光谱数据库构建三维有用、有害元素模型实现勘探、采矿与选矿矿物学关联以便于有害元素(As、Sb、Hg等)的回收或尾矿处理;利用高分辨率Worldview2影像判别重要尾矿库的废水、矿渣泥浆含铁染分布,以便于防护地表径流水、土壤污染等。     

基于离散裂隙网络法和水流数值模拟技术的地下水封洞库水封性研究

水封性是保证地下水封洞库安全运营的关键,目前研究地下水封洞库水封性的主要难点在于裂隙岩体含水层强烈的非均质性和各向异性.以某地下水封洞库工程为背景,通过实测裂隙几何参数分析裂隙发育特征,建立了研究区离散裂隙网络模型.之后对研究区进行网格化划分计算了各单元体渗透系数张量,基于对裂隙渗流基本规律的理解和假设建立了研究区高精...     

基于钻孔电视的深部岩体节理三维网络模拟

为了准确模拟岩体节理的空间分布,评价高放废物地质处置库围岩的稳定性,先通过调查露头节理数据,运用概率统计理论进行节理几何特征模拟,再利用Monte-Carlo法来模拟节理空间分布特征,并以高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩体为研究对象,通过钻孔电视调查不同深度节理几何特征,划分钻孔岩体结构均质区,提出钻孔节理产状、大小、密度的统计方法和计算公式,以均质区建立节理三维网络模型并通过数据对比法进行模型验证。结果表明：1）利用列联表卡方检验和重叠窗口法可将天湖钻孔岩体划分为0~90、120~240、270~360和390~600 m等4个均质区;2）利用SPSS软件以及基于节理直径、迹长和隙宽之间的数量关系得出节理产状服从正态分布,节理直径服从负指数分布;3）通过数据对比法得出模型统计和现场测量的节理平均产状数据相差±3°以内,平均直径相差±1 m以内,平均面密度相差±0.01 m^-2以内,从而验证了Monte-Carlo法建立的节理三维网络模拟的准确性。     

岩体结构三维无缝建模与四面体优化剖分

复杂地质特征给数值模拟的建模工作带来很大困难,针对该问题,提出并实现了岩体结构三维无缝建模方法。将直接法拓展到四面体网格剖分中,实现了基于岩体结构无缝模型的四面体优化剖分方法,从而为数值模拟提供既符合地质实际,又有较高网格质量的计算模型。利用该方法建立了某拱坝坝肩岩体三维地质模型,并进行四面体优化剖分。     

基于裂隙产状和迹长划分岩体统计均质区研究

岩体统计均质区的划分是岩体工程设计的首要步骤,因为不同的均质区内岩体的结构特性和力学特性都存在差异。大多研究考虑产状或者其他单一参数划分岩体统计均质区,却很少有人考虑多参数进行划分研究。考虑了裂隙产状、迹长两个参数,提出了一种划分裂隙岩体统计均质区的新方法,即基于秩和检验评价两个样本之间的相似性,从而实现对裂隙岩体统计均质区的划分。结合工程实例即云南省马吉水电站左岸坝肩某两高程4个平硐的岩体结构统计均质区划分,分析了多参数对裂隙岩体统计均质区划分的影响。研究结果表明：PD241和PD253、PD201和PD241分别划分为一个统计均质区,而PD201和PD251 以及PD251和PD253不具有统计相似性。考虑了产状和迹长因素对岩体统计均质区的影响,划分结果较Miller方法更加合理可靠。结合现场调查分析,新方法的结果更加吻合实际情况。     

连通节理岩质边坡稳定性分析

节理岩体的剪切强度由结构面和相邻完整岩块的剪切强度共同决定,当结构面完全连通时,岩体的剪切强度完全由结构面决定。蒙特卡罗法能够根据结构面几何参数模拟岩体结构面的空间分布,通过深度优先搜索算法可搜索到连通的结构面,相对岩体而言,连通的结构面的剪切强度最小,即为节理岩质边坡的潜在滑动面,通过极限平衡法可以对一系列滑面进行稳定性分析。该方法是对节理岩质边坡稳定分析的补充。     

金川矿区地下巷道围岩应力场特征及演化机制

金川矿区位于高地应力区，岩性坚硬但岩体较为破碎，其地下巷道围岩压力在时间上和空间上的分布具有矛盾统一的双重性特征，这种双重性特征在国内外许多同类型地下工程中均存在。从应场演化角度，对该类围岩的应力场特征及其演化机制进行了探讨，人为围岩应力的特殊时间和空间分布特征的根本原因是结构面在围岩动态演化过程中发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应。据此提出围岩结构性流变的观点，并给出其理论解，它较好地反映了该类围岩变形破坏过程中应力场的演化特征。     

基于TetGen的复杂FLAC3D模型可视化建模方法

为了充分发挥FLAC3D在数值计算方面的优势,解决在复杂地质体条件下岩体工程开挖存在的计算模型构建难度大、多采用简化模型而影响计算结果可靠性及准确性的问题。提出采用三维表面模型重建方法建立地质体及岩体工程的表面模型,确定岩层、开挖等的封闭空间区域;在此基础上,通过约束德洛内四面体剖分的方法对三维表面模型形成的空间区域进行网格剖分。分析了网格生成器TetGen的输入、输出数据结构,确定表面模型数据至TetGen、TetGen网格划分结果至FLAC3D的对应关系,实现能够准确描述地质体与工程开挖的FLAC3D计算模型的构建。通过某大型深部开采铜矿的多个岩层和首采区3个盘区63个采场的模型构建实例,证明该方法简单、可行、有效并且健壮。     

改进遗传算法和支持向量机的岩体结构面聚类分析

岩体结构面控制着岩质边坡和地下洞室等岩体工程的稳定性,在岩体力学及水力学分析中起到关键作用。为对岩体结构面进行合理分组,精确地模拟岩体结构面网络的分布,提出一种融合改进遗传算法和支持向量机的聚类方法。首先,根据岩体结构面产状信息建立结构面分组的数学模型,采用改进的遗传算法计算结构面样本的全局最优聚类中心,再以聚类中心为训练样本,利用支持向量机方法将结构面样本进行完全划分。通过随机产生的结构面数据以及实际工程的运用表明,遗传-支持向量机聚类算法对岩体结构面的分组合理,获得的优势结构面结果可靠。     

Effects of pre-existing discontinuities on the residual strength of rock mass – Insight from a discrete element method simulation

When rock failure is unavoidable, the designer of engineering structures must know and account for the residual strength of the rock mass. This is particularly relevant in underground coal mine openings. Pre-existing discontinuities play an important role in the mechanical behavior of rock masses and thus it is important to understand the effects of such pre-existing discontinuities on the residual strength. For this purpose, the present study demonstrates a numerical analysis using a discrete element method simulation. The numerical results indicate that fracture intensity has no significant influence on the residual strength of jointed rock masses, independent of confining conditions. As confining pressures increase, both peak and residual strengths increase, with residual strength increasing at a faster rate. The finding was further demonstrated by analyzing documented laboratory compressive test data from a variety of rocks along with field data from coal pillars. A comprehensive interpretation of the finding was conducted using a cohesion-weakening-friction-strengthening (CWFS) model. The effect of rock bolts on rock mass strength was also evaluated by using a discrete element method model which suggested that rock bolts can significantly increases residual strength but have limited effect on increasing the peak strength of rock masses.     

Investigation on strength and stability of jointed rock mass using three‐dimensional numerical manifold method

This paper proposes a numerical model for jointed rock masses within the 3‐D numerical manifold method (NMM) framework equipped with a customized contact algorithm. The strength of rock sample containing a few sets of discontinuities is first investigated. The results of models with simple geometries are compared with the available analytical solutions to verify the developed computer code, whereas models with complex geometries are simulated to better understand the fundamental behavior and failure mechanism of jointed rock mass. Furthermore, the stability of jointed rock mass in an underground excavation is studied, where rock failure process is determined by the 3‐D NMM simulation. The simulation results provide valuable guidance on excavation process design and stabilization design in rock engineering practice. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

Evidence of Amplification Effects in Fault Zone Related to Rock Mass Jointing

Results of geological, geomechanical and seismometric investigations aiming at the analysis of the seismic response in a carbonate ridge of the Nera River valley (Central Apennines – Italy) are discussed. Geological and geomechanical surveys were aimed at defining the stratigraphic and structural setting of the outcropping formations and the jointing conditions of the rock mass. Velocimetric records of both ambient noise and small-magnitude earthquakes were analysed in order to identify amplification conditions. The analysis was carried out in the time domain, through directional energy evaluation, and in the frequency domain, through H/V spectral ratios and spectral ratios with respect to a reference station. A local amplification factor was estimated from Housner intensity. The study revealed a significant seismic amplification in a fault zone. This effect was observed in intensely jointed and mylonitic rock masses, located inside moderately jointed rock masses, and is the result of specific geometries and significant impedance contrasts. A map of fault zones prone to amplification of ground motion was constructed, taking into account the jointing conditions of the rock masses and the structural setting of the investigated ridge. The study relied on an integrated methodological approach, which combined the available data under union and intersection criteria.