岩体破裂矩张量反演方法及其应用

地震及岩体失稳破裂过程中,破裂机制、震源参数及破裂能量等信息均可通过矩张量方法求解,文中详细介绍了矩张量基本理论,对比分析了绝对矩张量反演法、相对矩张量反演法、混合型矩张量反演法等3种常用方法的优缺点。在详细归纳、总结国内外相关文献的基础上,就水压致裂、采矿及深埋隧道等工程领域综述了矩张量反演理论在岩体工程中的应用现状,并结合其在德国黑林根矿区微震事件震源机制分析中的应用实例,表明通过矩张量反演获取的震源机制解及震源参数等信息,在岩体工程灾害预警及防治、水压致裂过程监测和控制等领域具有重要作用。最后分析了影响矩张量反演精度的因素及应用于岩体工程领域时存在的不足,包括定位精度低、波形识别及处理困难等问题,并对其在采矿、石油等岩体工程领域的应用前景、改进措施及需进一步研究的问题等进行了探讨,为矩张量反演方法的推广应用提供重要的参考。     

深埋隧道岩爆位置偏转及其微震活动特征

川藏铁路拉林段控制性工程巴玉隧道,施工过程中岩爆频发且呈现邻近区域岩爆位置不一现象。为此,通过微震监测系统原位观测了岩爆位置偏转过程中的岩体破裂演化规律,进一步探讨了岩爆位置发生偏转的原因。研究结果表明:岩爆位置偏转段两侧微震信息呈不均匀分布特征,微震活动(事件数、能量和视体积等参数)随岩爆偏转向岩爆发生位置集核偏转,两者具有良好的空间相关性。岩爆位置偏转段岩体损伤区及视应力的演化特征说明岩爆位置偏转与局部应力集中区变化相关,应力集中程度大的区域更易发生岩爆。相关研究成果对岩爆位置偏转预警及防治具有一定借鉴和参考意义。     

深埋隧洞不同开挖方式下即时型岩爆微震信息特征及能量分形研究

基于锦屏二级水电站深埋隧洞钻爆法及隧道掘进机（TBM）开挖过程中大量微震监测数据及不同等级的岩爆案例,对不同开挖方式下即时型岩爆的孕育及发生过程的能量释放展开研究,并运用分形几何原理研究微震能量分布的变化规律,得到以下结论：（1）即时型岩爆的孕育及发生过程中,岩爆区围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程;（2）钻爆法开挖过程中储存在岩体内的弹性应变能消耗于岩体破裂过程大于TBM开挖,而转化为岩体动能小于TBM开挖;（3）钻爆法开挖微震能量分形维度在即时型岩爆的孕育过程不断增加,岩爆临近前会增加到某个临界值以上;（4）TBM开挖即时型高等级岩爆能量分形维度值大于钻爆法开挖,并且其分形维度值可以反映低等级岩爆伴随发生的特征。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

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。     

深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏（岩爆、片帮、应力型塌方等）孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角? 来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程：在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。     

深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究

中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)扩挖工程建设潜在高等级岩爆风险。为此,建立了深部地下实验室相邻同向短洞室固定式和单侧相向扩挖移动式微震传感器阵列优化布置方法,构建了基于岩爆风险程度的岩爆预警频次优化原则,提出了针对性的CJPL-Ⅱ扩挖岩爆防控措施,实现了CJPL-Ⅱ扩挖过程岩爆实时监测、动态预警与防控,岩爆预警与实际情况吻合良好,保障了CJPL-Ⅱ扩挖顺利完成。分析了CJPL-Ⅱ扩挖各洞段开挖过程微破裂时空演化规律及其差,研究结果表明新增通道微震活动较扩挖段更为活跃,岩爆风险亦更高,扩挖微震活动活跃程度与空间集聚特征受扩挖断面尺寸,扩挖深度以及结构面影响。研究成果可为类似深埋工程安全建设提供借鉴。     

基于组合赋权和未确知测度的深埋隧道岩爆危险性评价——以川藏交通廊道桑珠岭隧道为例

针对复杂山区深埋隧道岩爆危险性评价中的诸多不确定性因素问题,通过归纳分析典型高地应力条件下深埋隧道岩爆破坏特征及关键影响因子,从客观反映高地应力环境、岩石力学性能和围岩性质3个层面确定5项岩爆评价指标,利用未确知测度理论建立隧道岩爆危险性评价模型.为了充分考虑岩爆危险性评价的主观因素和客观因素,通过引入距离函数,采用熵权法和层次分析法相结合构建组合赋权法,综合确定各指标的权重系数.基于未确知测度理论及计算规则,结合岩爆危险性分级标准,构建直线型单指标测度函数,计算单指标测度评价矩阵和多指标测度向量,依照置信度准则进行岩爆危险性评价.将构建的岩爆危险性评价未确知测度模型应用于川藏交通廊道桑珠岭隧道,并与强度应力比法、Russenes判据、岩石脆性系数、岩体完整性系数、岩石弹性能指数等单指标判据评价结果及实际岩爆结果进行对比.研究结果表明:该模型评价结果的准确率达到94.4%,比单指标岩爆判据的准确率高16.7%~66.7%.      

隧道施工期岩爆危险性评价的属性识别模型及工程应用

隧道地质条件复杂,岩爆灾害频发,造成严重经济损失及人员伤亡,为工程施工带来极大困难。为分析隧道施工期岩爆风险和为施工安全提供依据,以属性数学理论为基础,建立了8参数岩爆危险性属性评价模型。通过对隧道岩爆案例的系统整理与分析,总结岩爆主要影响因素,考虑隧道施工现场指标获取的难易程度,改进了岩爆传统评价指标,选取了围岩岩性、岩体强度、围岩完整性、地应力大小、地下水状况、隧道埋深、隧道断面大小及现场施工情况8个易于获取的指标,然后构建了岩爆危险性评价的属性识别模型;同时考虑主观因素和客观因素,采用层次分析法（AHP）和概率统计法结合的综合赋权法对各指标因素进行权重分析;将建立的岩爆危险性属性识别模型应用于雅康高速公路二郎山隧道,结果表明:评价结果与实际开挖结果总体吻合较好,验证了该方法在岩爆危险性评价中的可行性与合理性。该研究成果为隧道施工岩爆灾害危险性评价提供了一种有效的途径,对预防隧道岩爆灾害发生、减少施工损失具有重大的意义。     

基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议：① 隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。     

孤岛综放面冲击地压前兆信息识别及多参数预警研究

孤岛综放工作面强烈的动压显现使得其发生冲击地压的可能性大大增加,通过运用微地震和电磁辐射综合监测手段分析孤岛综放工作面两次强动压显现事件,获得了工作面煤体发生冲击地压前后能量积聚与释放规律及相应微震和电磁辐射监测数据变化规律,认为工作面煤体发生冲击地压前一般存在一个短暂的能量积聚期,在能量积聚期内微震系统监测到的微震事件的次数和总能量均较少,同时能量积聚期内煤体电磁辐射强度值和脉冲数均持续升高。将工作面微震事件的沉默期以及煤体电磁辐射强度值、脉冲数的持续升高期作为冲击地压的综合前兆信息,并将其转换为量化的预警参数和指标,建立了工作面冲击地压多参数预警方法。现场实践表明,危险识别与灾害预警效果良好。     

Combined early warning method for rockburst in a Deep Island,fully mechanized caving face

Rockbursts annually cause hundreds of casualties and huge economic losses in China. The possibility of rockbursts occurring in a deep island, fully mechanized caving coal face is much higher than in a normal face. To predict and prevent rockbursts in this type of coal face, a comprehensive approach based on multi-instrument monitoring, including microseismic (MS) monitoring, electromagnetic emission (EME) monitoring, and the drilling cutting method (DCM), has been proposed. The case of working face 1304 in the Yangcheng coal mine in Shandong Province, China, was analyzed to test the combined early warning method. In situ investigations showed many early warning precursors before a rockburst, such as a period of silence in MS activity, persistent rising of EME intensity values and pulse numbers, and a large jolt of EME. Based on the quantitative early warning indexes, the combined early warning method for rockbursts in coal face 1304 was established, which mainly includes three rockburst risk judgment conditions and one rockburst risk identification condition. This method has been applied to rockburst forecasting in the Yangcheng coal mine. The application showed that this comprehensive approach could accurately identify potential rockburst risks and trigger early warnings. The case study demonstrated that the likelihood of a rockburst occurring can be forecasted by the combined early warning method based on multi-instrument monitoring.     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示:28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

深埋隧道岩爆规模现场快速估算方法

以岩爆破坏的洞壁面积及爆落的岩体体积作为衡量岩爆灾害规模的重要指标,提出一种基于现场测量信息的爆坑几何形态快速建模及岩爆规模估算方法,该方法的重要组成部分包括:爆坑形态类型的概化、爆坑测量断面的选取、控制测点的确定及坐标记录、爆坑纵横断面轮廓线线型的拟合、洞壁破坏面积与爆坑体积估算公式的推导。针对工程中常见的窝型与V型爆坑,分别建立了适用于隧道直线形与拱形洞壁的岩爆规模估算公式,探讨了非典型窝型与V型爆坑,岩爆规模估算的近似处理方法。将所提出的方法应用于我国西南锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程的岩爆规模估算,典型案例验证结果表明,利用该估算方法所给出的结果与现场实际的岩爆规模接近一致,估算误差约为15%以内。研究成果能够为岩爆烈度等级划分及严重程度的评定提供重要的基础性指标。     

直墙拱形巷(隧)道岩爆试验及劈裂与剪切分析

针对岩爆试验及监测研究的不足,开展了直墙半圆拱形巷（隧）道岩爆单轴压缩试验、声波监测及岩爆破裂的劈裂与剪切分析。结果表明,巷（隧）道围岩呈现起伏粗糙破裂面和劈裂后的薄块体,试样整体也呈现出明显的劈裂岩爆现象;波速可以很好地反映围岩内部损伤演化进程,将围岩波速由持续不变到开始变小点作为临界损伤点,可以通过监测波速变化进行围岩岩爆的预测预报;通过监测声波波形尤其是对波形稀疏、周期变长的监测,可以很好地掌握围岩内部的全程发展变化情况;通过综合监测声波的波速、波形稀疏、周期变长,达到定性、定量相结合,及时、准确地预测、预报岩爆,以保障人员、设备安全;得出了由应力强度比和压拉比来判定劈裂岩爆发生的综合表达式以及与应力强度比岩爆烈度分级标准相对应的压拉比数值;劈裂岩爆发生的应力强度比即应力判据在0.27～0.80之间（R为10～30时）;随着满足劈裂岩爆发生的应力强度比的增大,其越接近满足剪切破坏条件,破坏主要形式将向剪切破坏方向发展。