综合集成高精度智能微震监测技术及其在深部岩石工程中的应用

通过微震技术获取更多的岩石工程灾害演化过程微震信息,自动识别岩石破裂微震信息,自动精准定位岩石破裂的位置,为灾害分析、预警与防控提供理论与技术支撑,一直是科学家和工程师研究的热点与难点。针对这些难点,研发了传感-采集-传输一体化集成技术、32位A/D与元器件联合降噪采集技术、微震信号递归STA/LTA-BP神经网络综合识别方法以及基于PTP高精度时间同步策略的速度模型数据库速配微震源定位算法,并对这些技术进行了综合集成,提出了综合集成高精度智能微震监测技术。目前该技术已在国内外多个深部岩石工程进行了应用。应用结果表明,该技术既可应用于岩爆、冲击地压等动力型灾害监测,又可应用于岩石工程开挖(开采)围岩稳定性监测,还可推广应用于矿产资源防盗采监测,一定程度上提升了岩石工程灾害演化过程微震信号的捕获能力、岩石破裂微震信号的识别能力和微破裂源的定位精度,推动微震监测技术朝着岩石工程灾害自动监测、分析与智能预警方向快速发展。     

综合集成高精度智能微震监测技术及其在深部岩石工程中的应用

通过微震技术获取更多的岩石工程灾害演化过程微震信息,自动识别岩石破裂微震信息,自动精准定位岩石破裂的位置,为灾害分析、预警与防控提供理论与技术支撑,一直是科学家和工程师研究的热点与难点。针对这些难点,研发了1）传感-采集-传输一体化集成技术;2）32位A/D与元器件联合降噪采集技术;3）微震信号递归STA/LTA-BP神经网络综合识别方法;4）基于PTP高精度时间同步策略的速度模型数据库速配微震源定位算法,并对这些技术进行了综合集成,提出了综合集成高精度智能微震监测技术。目前该技术已在国内外多个深部岩石工程进行了应用,应用结果表明该技术既可应用于岩爆、冲击地压等动力型灾害监测,又可应用于岩石工程开挖（开采）围岩稳定性监测,还可推广应用于矿产资源防盗采监测,一定程度上提升了岩石工程灾害演化过程微震信号的捕获能力、岩石破裂微震信号的识别能力和微破裂源的定位精度,正推动微震监测技术朝着岩石工程灾害自动监测、分析与智能预警方向快速发展。     

综合集成高精度智能微震监测技术及其在深部岩石工程中的应用

通过微震技术获取更多的岩石工程灾害演化过程微震信息，自动识别岩石破裂微震信息，自动精准定位岩石破裂的位置，为灾害分析、预警与防控提供理论与技术支撑，一直是科学家和工程师研究的热点与难点。针对这些难点，研发了1）传感-采集-传输一体化集成技术；2）32位A/D与元器件联合降噪采集技术；3）微震信号递归STA/LTA-BP神经网络综合识别方法；4）基于PTP高精度时间同步策略的速度模型数据库速配微震源定位算法，并对这些技术进行了综合集成，提出了综合集成高精度智能微震监测技术。目前该技术已在国内外多个深部岩石工程进行了应用，应用结果表明该技术既可应用于岩爆、冲击地压等动力型灾害监测，又可应用于岩石工程开挖（开采）围岩稳定性监测，还可推广应用于矿产资源防盗采监测，一定程度上提升了岩石工程灾害演化过程微震信号的捕获能力、岩石破裂微震信号的识别能力和微破裂源的定位精度，正推动微震监测技术朝着岩石工程灾害自动监测、分析与智能预警方向快速发展。     

基于谱矩心和线性度的微震事件分类

岩体破裂产生的应力波触发微震事件,传统的互相关匹配难以识别微震事件深浅类型。本文利用谱矩心和线性度提取地震波的特征信息,并通过多层感知器网络进行分类识别,将微震事件分为浅源和深源。实验结果表明该方法的识别准确率为86.14%,谱矩心对微震事件分类精度高于线性度,且精度均高于传统的互相关方法。该方法不仅可以识别地震波形,也可为岩爆、滑坡等动力灾害监测提供预警信息。     

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。     

岩石破裂声发射关键特征信号优选方法

岩石破裂过程的声发射中大量的低能常规信号易将少量的高能关键信号特征规律淹没,不利于前兆特征分析和灾变预警。从岩石破裂失稳预警角度出发,以提取影响岩石结构稳定的关键破裂事件声发射信号为目标,提出了岩石破裂失稳关键特征信号的识别准则及其定义。构建了基于信号能量贡献率的岩石破裂关键事件声发射信号的优选方法,并针对花岗岩、大理岩、煤岩和粉砂岩进行了岩石破坏失稳的声发射监测试验验证。试验结果表明,新方法能有效提取岩石破裂过程中影响岩石整体稳定的关键声发射信号,具有一定的普适性。着重从声发射事件率突降、相对平静期和累计能量急升跃阶等前兆特征对优选后岩石破裂关键特征信号进行了一致性检验。检验结果表明,优选后的关键特征信号与上述前兆特征高度一致,并能够有效地提高后期声发射特征参数计算效率,方法有效可行。     

蓄水期坝肩岩质边坡微震活动性及其时频特性研究

以锦屏一级水电站左岸坝肩边坡微震监测数据为基础,研究蓄水期微震活动性规律,利用S变换（ST）对波形进行分解,并将其应用于左岸坝肩边坡蓄水期与施工期的微震波形处理,以研究其岩石微破裂信号的时频特性。研究表明,(1) 微震活动性与地质构造及蓄水活动密切相关,与施工期相比,蓄水期坝肩边坡岩体趋于稳定状态;(2) S变换综合了短时傅里叶变换（STFT）与小波变换（WT）的优点,其在微震等非平稳信号的时频分析中具有独特的优势;(3) 时频特性与波形特征相比更加稳定,基于S变换的微震波形分解能较好的揭示波形中包含的震源破坏信息;(4) 与施工期相比,左岸坝肩边坡岩石微破裂信号在蓄水期频率升高,持续时间减小,单震型微震事件比例增大,主要是由于在蓄水期左岸坝肩边坡岩体整体性和强度提高,岩体趋于稳定,从而使微震信号表现出不同的时频特征。微震时频参数可以反映岩体的内部微破裂信息,并为其稳定性分析提供参考。     

花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究

开展花岗岩单轴压缩试验,利用决策树模型,构建岩石破裂过程关键声发射信号的提取方法,并通过选取特征参数将提取的关键信号分类,分析各类关键声发射信号的时频参数特征,进一步探讨各类信号所对应的岩石破裂机制。研究结果表明,基于决策树模型建立的岩石破裂关键声发射信号提取方法,能够有效提取岩石破裂过程中影响整体结构稳定性的关键破裂事件对应的声发射信号,准确率在90%以上。根据关键信号特征提取规则将信号分成A、B、C、D 4类,A类信号对应岩石在宏观破裂时产生的开裂、扩展型破裂;B类信号为岩石临近破裂与峰后阶段出现的大量小尺度开裂、扩展型破裂;C类信号对应岩石宏观破裂前产生的剪切滑移型破裂;D类信号对应岩石整体破坏后产生的小尺度张剪复合型破裂。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

基于EMS微震参数的岩爆预警方法及探讨

一系列深埋长大隧道工程在我国西部涌现,深埋隧道围岩的岩爆成因机制及监测预警成为亟待解决的课题。微震监测作为岩体微破裂空间监测技术在隧道工程岩爆预警上发挥了重要作用。由于微震数据存在的波动性（时间序列）、离散性（空间分布）和误差,利用震源参数随施工循环的演化特征评估岩爆发育过程并非足够稳定、有效。基于3种微震监测易于获取且紧密联系的震源参数（地震能量、地震矩和视应力）,扩展建立了用于岩爆评估与预警的EMS方法。该方法定义了地震能量、地震矩、视应力3种评价指标,并获得了3种评价指标间的关系;将3种评价指标用于岩爆预测,并进行了岩爆等级评估;同时还给出了微震路径与震源参数空间的概念。最后,将EMS方法应用于巴陕高速米仓山隧道的岩爆灾害实例,对岩爆里程段微震事件簇（微震事件聚集区域）内岩体累进破裂和岩爆发育过程进行了评估,实现了简易有效的微震数据日常处理与岩爆灾害评估预警。     

玄武岩纤维复合材料土层锚杆抗拔性能现场试验研究

玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆与传统钢锚杆相比具有比强度高、耐腐蚀性强、与围岩协调变形性好等优点,是一种新型高性能纤维锚杆,在边坡加固领域的应用才刚刚起步。通过BFRP锚杆加固黄土边坡的现场拉拔试验,较系统地研究了BFRP锚固体系在不同锚杆直径、锚固长度下的工作性能,并通过现场开挖式剖析,分析了BFRP锚固体系的破坏模式。试验结果表明,破坏模式受控于锚固系统诸界面的相对强度,φ12mm和φ16mm锚杆体系为锚杆与灌浆体界面(第1界面)剪切破坏,φ25 mm锚杆体系为灌浆体与土层界面(第2界面)滑移破坏;一定锚固条件下,增大锚杆直径可显著提高锚固体系的极限抗拔力;随着锚固长度的增加,极限抗拔力并非始终线性增大,而是增幅逐渐减弱,存在临界锚固长度;第1界面和第2界面平均黏结强度均随锚固长度的增大而减小,并给出了诸界面平均黏结强度的建议值,可供实际工程设计使用;杆体轴力沿锚固深度逐渐衰减,分布形态与受拉荷载大小、锚杆直径和锚固长度等有关;锚杆界面摩阻力分布服从随锚固深度先增大后减小的单峰形态,峰值多出现在锚固前端0.5 m范围内,同样受锚固长度和直径影响。建议今后进一步改善BFRP材料的抗剪性能以及BFRP锚杆表面形态设计和制作工艺。     

基于碳化-固化技术的武汉东湖淤泥耐久性演变微观机制

引入活性MgO-粉煤灰固化材料,采用碳化-固化联合技术处理武汉东湖疏浚淤泥,通过无侧限抗压强度、X射线衍射、扫描电镜和压汞试验,研究持续浸水、干湿循环和冻融循环等复杂环境下碳化-固化淤泥力学性质和微观结构演变。结果表明:活性MgO-粉煤灰固化淤泥经碳化处理后具备更优异的水稳性,浸水破坏后碳化淤泥试样整体抗压强度高于固化试样,提升幅度约为29%;碳化试样强度随干湿循环次数增加呈缓慢增加趋势,而固化试样则表现为先上升后下降;随着冻融循环次数增加,碳化前后试样抗压强度变化一致,即快速达到峰值后缓慢减小至保持不变。微观分析表明:起骨架支撑作用的棱柱形碳酸镁石、起填充与黏结作用的花骨状和片状的水碳镁石和球碳镁石为主要碳化产物,骨架-填充-黏结协同作用使碳化试样强度高,水稳定性好,抗干湿冻融能力强;持续浸水促使球碳镁石和水碳镁石向碳酸镁石转化,大孔隙增多;干湿循环促使碳酸镁石向球碳镁石和水碳镁石转化;冻融作用下试样碳化产物之间无明显转化。     

单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。     

基于冲切破坏模式的嵌岩桩桩端溶洞顶板临界厚度确定方法研究

桩端下伏溶洞顶板厚度是影响嵌岩桩竖向承载力的一个重要影响因素,在工程实践中,我国相关规范要求桩端平面以下的顶板厚度不小于3倍桩径。根据规范确定溶洞顶板厚度具有一定的经验性和笼统性,没有考虑溶洞顶板岩体质量,亦忽略了溶洞自身尺寸的影响。基于桩端岩体的冲切破坏模式,并结合广义Hoek-Brown准则和极限定理上限法建立了溶洞顶板临界厚径比(h/d,即顶板厚度h/基桩直径d)的计算方法,给出了不同岩体基本质量级别的临界厚径比建议值。结果表明:极限端阻力、岩石坚硬程度和岩体质量均对临界厚径比产生影响,极限端阻力越小、岩体质量越好、岩石越坚硬,则溶洞顶板的临界厚径比越小;以《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)中岩体基本质量分级为参考依据,Ⅰ~Ⅳ级岩体的临界厚径比建议值分别是Ⅰ级岩体h/d≤2.41、Ⅱ级岩体2.41≤h/d≤2.96、Ⅲ级岩体2.96≤h/d≤3.73、Ⅳ级岩体3.73≤h/d≤4.91。     

基于不同侵蚀模型的高速崩滑碎屑流动力过程模拟分析

为实现高速崩滑碎屑流沿程侵蚀动力过程的模拟分析,采用连续理论方法对NomashRiver碎屑流动力过程进行了数值模拟。其中,在连续理论模型中采用3种不同侵蚀速率模型,并采用HLLC近似Riemann解对有限体积数值离散控制体单元的界面通量进行了计算求解。致灾范围及运动时间的计算结果均与实际灾害情况吻合良好,验证了计算模拟的正确有效性,并对最终堆积深度、运动速度和侵蚀区域侵蚀深度进行了分析讨论。结果显示:采用McDougall侵蚀模型得到的最终堆积平均深度和最大深度与实测情况较为接近;每个时刻采用Medina侵蚀模型得到的最大速度值最大,其次是采用McDougall侵蚀模型的结果,最后是采用Pitman侵蚀模型的结果;采用McDougall侵蚀模型得到的侵蚀深度分布较为连续,其最大值8.1m与估测值8m比较接近,采用Medina侵蚀模型和Pitman侵蚀模型得到的侵蚀深度结果则较为分散,其最大值分别为10.9m和8.6m。     

北京市夏季臭氧特征及臭氧污染日成因分析

为研究北京市夏季臭氧特征及污染成因,于2017年7月15日至2017年8月10日期间,在北京市城区进行气象要素、臭氧(O3)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的连续观测,并选取7d(2017年7月20日、30日和8月1日、4~7日)密集采集大气样品进行挥发性有机化合物(VOCs)和含氧挥发性有机化合物(OVOCs)的分析。结果表明,观测期间北京市夏季O3污染严重,臭氧污染日以东南风为主,一般伴随着高温、低湿、低压和高前体物(VOCs、CO和NOx)浓度,占总观测天数的51.8%。密集采样日中臭氧污染日的成因与副热带高压或均压场下的弱高压系统有关。此外,来自河北、内蒙古中部和蒙古国东部途经保定和张家口等地的气流为北京夏季臭氧污染日的形成提供了部分外源,日平均贡献量为16%~37%,最大贡献量为53%,显示区域传输对臭氧污染日形成有重要影响。敏感性试验发现O3的生成主要受VOCs控制,特别是人为源VOCs。以上结果表明,控制北京本地VOCs的人为排放和周边空气质量将有助于降低北京城区的O3浓度。     

连续排水边界下分数阶黏弹性饱和土体一维固结分析

采用分数阶Kelvin模型来描述饱和土体的流变特性,在连续排水边界条件下,利用Laplace变换推导出变换域内的饱和土体一维固结解析解,再通过Crump法对有效应力和固结沉降进行数值反演,得到了分数阶导数黏弹性饱和土体的一维固结半解析解。将连续排水边界退化到Terzaghi排水边界,退化后的结果与已有文献一致,验证了所得半解析解的可靠性。最后,基于所得解,分析了相关参数对土体固结的影响。结果表明,界面参数反映排水边界的透水性,从而影响土体中超孔隙水压力的消散速率;黏滞系数在固结后期对沉降发展影响较大,其值越大,沉降发展越慢;当阶次a不为零时,分数阶次越小,土体表现出的黏滞性越强,整体固结沉降发展越缓慢,次固结沉降发展也越缓慢。     

黏土矿物含量对CO_2地质埋存体盖层封闭性的影响

为了解CO_2地质储存过程中黏土矿物含量对盖层封闭性的影响,本文以鄂尔多斯盆地三叠系和尚沟组泥岩盖层为研究对象,利用TOUGHREACT软件研究了不同黏土矿物含量、储层厚度对盖层封闭性的影响。研究表明,当盖层黏土矿物含量达到50%时,渗透率最大可减降低36%,有效封存厚度可达70 m;当黏土矿物含量减少至10%时,盖层自封闭性大幅降低,有效封存厚度为4 m,且盖层中的蒙脱石也由沉淀转化为溶解。黏土矿物含量越高,盖层封闭性越强,有效封存厚度越大。储层厚度对盖层封闭性有直接影响,当储层厚度大于盖层有效封存厚度时,则会发生泄漏;当储层厚度达到100 m时,CO_2将在125年后穿透黏土矿物含量为50%的盖层。本研究可为CO_2地质储存的储盖层选择和安全性评价提供理论依据。