煤岩破坏声发射强度长程相关性和多重分形分布研究

通过单轴加载煤岩破坏全过程声发射试验,运用多重分形消除趋势波动分析法（MF-DFA）,分析了声发射强度序列的长程相关性及多重分形特征,在此基础上研究了不同应力水平下声发射强度序列长程相关指数H的变化趋势。结果表明：声发射强度时间序列内部波动不是完全随机的现象,而是由内在自相似机制决定的长程相关过程,其波动是一个有序的多重分形分布;H的变化与煤岩体的变形破坏过程能够较好的对应,声发射强度H值的“最大-减小”模式可以作为煤岩体失稳事件的前兆,这为利用声发射进行煤岩体稳定性现场监测预报提供了新的理论依据及方法     

锁固段边坡模型破坏前兆特征

为探究花岗岩锁固段边坡模型损伤破坏过程中的微震信号能量、频率分布特征及临界慢化现象,开展了花岗岩锁固段边坡模型的破坏试验研究,利用单轴加载系统对不同岩桥角度的花岗岩锁固段边坡模型进行加载,采用应变片、微震（microseismic,MS）监测系统对其加载全过程进行同步观测.试验结果表明:（1）岩桥角对边坡模型的破坏形式产生影响,当岩桥角为70°和90°时破坏形式以拉张破坏为主;当岩桥角为110°时为拉压混合破坏;当岩桥角为130°时为压剪破坏,前缘蠕滑段为锁固型边坡变形最大的部位.（2）在加载过程中,当存在微小损伤破裂时,主要以高频、低能的微震信号为主,当产生大尺度损伤破裂时会伴随着低频、高能的微震信号.（3）在锁固段边坡模型处于临界破坏状态时会出现明显的临界慢化现象,表现为微震信号的方差、自相关系数产生突增现象,且突增点所对应的时间均达到失稳时间的80%,具有较好的时效性,可将微震信号的方差、自相关系数的突增作为边坡模型的失稳破坏前兆信息.（4）能量比方法与临界慢化理论形成联合预测判据,可克服单一判据的缺点,提高预测的准确性.该研究可为突发型的岩质边坡监测预警提供可用的参考价值.      

岩体破裂尺度与频率特征关系及其工程实证研究

将S变换时频分析技术引入微震信号波形分析领域,通过震源破裂尺度,研究微震信号频率特征与岩体变形破坏之间的联系。以西南地区3个水电工程作为研究对象,将大量微震监测数据作为统计样本以减小外部因素对参数计算的影响。在该基础上统计、分析岩体破裂尺度与微震信号频率之间的关系,结合大渡河猴子岩水电站地下厂房微震与多点位移计监测资料进行工程实证研究。研究结果表明,当岩体破裂尺度增大时微震信号高频成分减少,表现出低频特征;在围岩变形过程中微震信号高频成分呈现出先减少再增加的演化规律,围岩发生明显变形前微震信号出现由高频向低频转移的现象,因此,可将聚集区域内微震信号频率降低作为该区域岩体宏观变形破坏的前兆信息。研究结果可为基于微震监测的岩体工程稳定性分析及其灾害预测预报提供参考。     

阜新海洲露天矿顺层边坡变形破坏机理分析

以阜新海州露天矿边坡为例,在弱层流变试验的基础上,依据其长期强度的时间效应,对该处边坡进行了稳定性动态评价,探讨了该类型边坡失稳预测的方法.     

阜新海州露天矿顺层边坡变形破坏机理分析

以阜新海州露天矿边坡为例，在弱层流变试验的基础上，依据其长期强度的时间效应，对该处边坡进行了稳定性的动态评价，探讨了该类型边坡失稳预测的方法。     

岩质边坡声发射特征及失稳预报判据研究

在分析岩质边坡失稳过程中岩体力学性质和声发射产生的微观机理基础上,通过岩石声发射试验和岩质边坡声发射监测实例,研究了岩质边坡声发射特征,提出了岩质边坡失稳破坏的基本力学分类及其声发射的监测预报方法和判据,实现对岩质边坡失稳的预测预报。研究结果表明,边坡破坏前存在一次或多次声发射高峰。应用AE技术可以确定边坡在变形过程中应力集中活跃区;以抗滑力减小为主的岩质边坡,其失稳预报判据为大事件率在15次/ min以上,预报时间为几分钟至数小时。以下滑力增大为主的岩质边坡失稳的预报判据为大事件率在26次/ min以上,破坏时间为第一次声发射峰值期后的30～45 d。     

煤矿采场覆岩破坏的微地震监测预报研究

微地震现象是岩体破坏失稳发生前给出的重要信息,研究岩体变形破坏过程的微地震特征对于预报岩体破坏、保证矿山安全生产具有重要意义。采用山东科技大学自主研制的煤矿井下微震监测系统对华丰煤矿采场覆岩破坏过程进行了监测。通过对监测到的微地震事件定位计算,证实微地震发展演化与采场覆岩破坏密切相关。根据未失稳岩体微震事件频数、能量、距离的差分变化规律,能够较准确地提前预报岩体破坏,对于采用微地震监测技术解决煤矿井下岩体破坏预报具有重要指导意义。     

辽宁海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统

随着海州露天矿的闭坑,岩体结构越来越弱化,围岩的支承能力越来越小,露天矿边坡处于不稳定状态,具有发生大规模滑坡的潜在危险。根据海州露天矿工程地质条件,边坡形态,稳定状态及监测目的,研发海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统。系统应用GPRS远距离无线传输技术远程主动监测边坡岩体内部应力变化来获取岩体变形特征和滑移信息,实现边坡锚索应力全天候连续自动监测,其采用太阳能进行供电,适用于边坡中、长期监测。通过对海州露天矿边坡监测与边坡稳定性分析的现场应用实践证明,该系统可以对边坡稳态进行实时监测,对边坡滑坡灾害防治具有重要意义。     

基于RFPA3D和微震监测的白鹤滩水电站左岸边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸边坡受缓倾角软弱面及NW向断层影响,施工、运行期的边坡稳定性问题尤为重要。为研究左岸边坡在开挖卸荷过程中应力场、位移场分布规律,揭示岩体内部破坏失稳机制,利用RFPA3D（realistic failure process analysis）软件以拱轴线剖面为例建立准三维数值模型,再现坝基边坡岩体裂隙萌生、发育、扩展直至贯通的渐进损伤破坏过程。结合左岸边坡开挖卸荷及应力调整过程中的微震活动演化特征,圈定工程边坡潜在危险区域,探讨可能的失稳破坏模式。分析表明：基于离心加载法计算得到工程边坡开挖后安全系数为1.33;边坡表层区域受缓倾角错动带控制,变形破坏最为明显,以小范围楔形体滑移为主。该研究结果可为白鹤滩水电站坝基边坡后期施工提供依据,对于类似岩质边坡工程施工具有一定的指导作用。     

饱和-风干循环过程中砂岩次生孔隙率变化规律研究

三峡工程竣工后,库水每年将在145 m和175 m水位之间或缓慢或快速的升降,在库水位大幅度涨落的情况下,库岸边坡部分岩体处于“饱和-风干”的循环动态,水-岩循环作用将造成岩体性质劣化。据此,以三峡库区库岸边坡变幅带的砂岩为研究对象,设计了“饱和-风干”循环作用试验。试验结果表明,与常规浸泡试验相比,水压力的升、降变化和“饱和-风干”循环作用对岩体的损伤有累积放大作用,浸泡时水压力变化越大,对离子浓度和次生孔隙的影响越大,而且,“饱和-风干”循环次数越多,岩体的损伤越严重。提出了基于离子浓度变化计算岩石中次生孔隙率变化规律的方法,与实测次生孔隙率变化规律基本一致。因此,可以把这种方法应用到现场监测中去,通过长期监测离子浓度的变化来推测岩体中水化学反应发生的程度,以及次生孔隙率的发育情况。分析成果为研究库岸边坡岩体在“饱和-风干”循环过程中的岩体性质劣化规律奠定了一定的基础。     

Rheological Characteristics of Weak Rock Mass and Effects on the Long-Term Stability of Slopes

The creep deformation behavior of the northern slope of an open-pit mine is introduced. Direct shear creep tests are then conducted for the samples taken from the northern slope to study the rheological characteristics of the rock mass. The experimental results are analyzed afterwards using an empirical method to develop a rheological model for the rock mass. The proposed rheological model is finally applied to understand the creep behavior of the northern slope, predict the long-term stability, and guide appropriate measures to be taken at suitable times to increase the factor of safety to ensure stability. Through this study, a failure criterion is proposed to predict the long-term stability of the slope based on the rheological characteristics of the rock mass and a critical deformation rate is adopted to determine when appropriate measures should be taken to ensure slope stability. The method has been successfully applied for stability analysis and engineering management of the toppling and slippage of the northern slope of the open-pit mine. This success in application indicates that it is theoretically accurate, practically feasible, and highly cost-effective.     

某电厂工程场址地质灾害防治工程研究

建设工程场址紧邻某露天矿北采坑,最近距离不足10 m,且在场址地基中连续分布厚1.5～3.0m软弱夹层,该软弱夹层南倾并出露于露天采坑边坡,与采坑边坡构成顺向坡.因该场址所处周边环境的特殊性以及特定的地层结构,使得本工程可能遭受场地整体滑移、边坡滑动等地质灾害威胁,且危害后果严重.对场址地基整体稳定性验算与采坑边坡稳定性的计算表明：场址地基整体稳定性可满足规范要求,而采坑高边坡则处于不稳定状态,必须进行工程加固.综合考虑本场区地层结构、周边环境与危害后果等,提出了削坡减载十预应力格构锚固主体加固方案,同时辅以截排水与工程监测措施.依据锚固段岩土体力学特性,确定了各锚杆锚固力,采用Winkler弹性地基梁和连续梁模型计算了格构梁的内力.对削坡、锚固后边坡的稳定性验算表明：其安全稳定性可满足规范要求.     

融化作用下含冰裂隙冻岩强度特性及寒区边坡失稳研究现状

如何科学评价裂隙冻岩质边坡稳定性、如何采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,已是目前岩石力学研究领域的一个重要课题.首先对青海木里地区含冰裂隙冻岩地层煤矿露采过程中的大规模边坡工程问题开展现场勘察和试验研究,分析了高寒地区冰体赋存特征、含冰地层消融特征及含冰地层融水出流特征;结合前人研究,较为全面地总结了含冰裂隙冻岩强度特性及冻岩边坡普遍性的变形失稳特点,提出寒区冻岩边坡失稳机理为冰-岩系统在热侵蚀和荷载共生作用下的热力耦合结果;对消融作用下含冰裂隙冻岩的物理力学、热力耦合特性及裂隙冻岩质边坡稳定性评价等方面的国内外研究现状进行了综述和讨论;认为开展融化作用下含冰裂隙冻岩体强度特性及边坡失稳研究将是与冻融损伤并重的一个新的研究方向.     

基于Hoek-Brown准则的冻融循环条件下露天煤矿边坡岩体力学系数修正

在露天矿边坡稳定性计算和评价过程中,边坡稳定性评价结果与岩体力学参数的选取密切相关。而在冻融循环条件下,岩石的物理力学参数随着冻融次数的变化而变化。首先通过室内模拟的方法对粗砂岩和细砂岩进行不同次数的冻融循环试验,然后进行一系列的单轴和三轴压缩试验,得到冻融循环条件下完整粗砂岩和细砂岩的物理力学参数;基于Hoek-Brown强度准则中的爆破扰动参数D,提出冻融循环劣化参数D_f,利用修正的Hoek-Brown准则得到冻融循环条件下岩体力学参数,并分析了边坡岩体的破坏模式。结果表明:随着冻融循环次数的增加,粗砂岩和细砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力降低减小,内摩擦角变化较小;而岩体的单轴抗压强度、整体抗压强度、抗拉强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角均减小,这说明岩体在冻融循环环境中是不断损伤的,质量逐渐变差;随着冻融循环次数不断增加,岩体的抗剪强度劣化在不断加速,边坡的破坏形式主要为剪切破坏。修正的岩体力学参数为露天矿边坡稳定性分析提供更为准确的数据。      

基于能量原理的露天矿边坡开挖稳定性突变研究

基于边坡系统能量的原理,借助FLAC3D有限差分法内嵌FISH语言进行了三维露天矿边坡模型在开挖过程中能量计算的二次开发。将能量与突变理论相结合,以边坡系统的总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量耗散突变判别准则。以大孤山露天矿西北帮边坡为例,通过能量耗散突变分析、塑性区演化分析、安全系数变化分析及关键点位移分析可知,以上分析得到的边坡稳定性演化规律具有一致性,验证了提出的突变判别准则的适用性,研究结果表明：能量突变特征值 是露天矿边坡在第ki步开挖后发生失稳的充要力学条件;当进行至第6～8步开挖时,边坡局部岩体系统发生了失稳,且第7、8、9三个台阶受开挖扰动的影响较为严重,与现场的实际开挖情况相符,为预防露天矿边坡在开挖扰动过程中的局部围岩系统失稳提供了一定的理论支持。     

露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析

为了科学评价冻岩露天矿边坡稳定性,并采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,分析了岩石在不同温度条件下多个物理力学参数的变化规律,结果表明,冻结态使岩石的强度得到一定的提高,而冻融循环使岩石的强度产生一定的削弱。由于岩体具有介质和结构的双重属性,冻融循环作用对岩体的介质和结构面损伤均较显著,可以通过改进的Hoek-Brown岩体强度准则分析冻融环境中的岩体强度。基于木里聚乎更矿区冻岩露天煤矿边坡的调查分析,总结归纳了该区冻岩边坡的破坏现象和类型,在冻融循环作用下冻岩边坡的破坏模式基本为浅表部的渐进式破坏。      

连拱隧道洞口边仰坡稳定的监测与控制

随着我国公路隧道的发展,连拱隧道的应用也越来越厂泛。连拱隧道一般应用于中短隧道,常常与边坡结合在一起。由于岩土体复杂,岩土力学尚具有半经验半理论的特点,故有必要对连拱隧道洞口边仰坡的稳定性进行监测与分析,并通过分析结果对其进行控制。     

高陡边坡岩体结构信息无人机识别与离散元数值模拟

岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。     

The Dynamic Evaluation of Rock Slope Stability Considering the Effects of Microseismic Damage

A state-of-the-art microseismic monitoring system has been implemented at the left bank slope of the Jinping first stage hydropower station since June 2009. The main objectives are to ensure slope safety under continuous excavation at the left slope, and, very recently, the safety of the concrete arch dam. The safety of the excavated slope is investigated through the development of fast and accurate real-time event location techniques aimed at assessing the evolution and migration of the seismic activity, as well as through the development of prediction capabilities for rock slope instability. Myriads of seismic events at the slope have been recorded by the microseismic monitoring system. Regions of damaged rock mass have been identified and delineated on the basis of the tempo-spatial distribution analysis of microseismic activity during the periods of excavation and consolidation grouting. However, how to effectively utilize the abundant microseismic data in order to quantify the stability of the slope remains a challenge. In this paper, a rock mass damage evolutional model based on microseismic data is proposed, combined with a 3D finite element method (FEM) model for feedback analysis of the left bank slope stability. The model elements with microseismic damage are interrogated and the deteriorated mechanical parameters determined accordingly. The relationship between microseismic activities induced by rock mass damage during slope instability, strength degradation, and dynamic instability of the slope are explored, and the slope stability is quantitatively evaluated. The results indicate that a constitutive relation considering microseismic damage is concordant with the simulation results and the influence of rock mass damage can be allowed for its feedback analysis of 3D slope stability. In addition, the safety coefficient of the rock slope considering microseismic damage is reduced by a value of 0.11, in comparison to the virgin rock slope model. Our results demonstrate that microseismic activity induced by construction disturbance only slightly affects the stability of the slope. The proposed feedback analysis technique provides a novel method for dynamically assessing rock slope stability and can be used to assess the slope stability of other similar rock slopes.