基于微震监测数据的矿山岩体强度参数表征方法研究

摘要

随着国民快速发展，我国对于能源和资源的需求日益增强，矿山开采开始向更深更广发展。然而，随着开采的持续，矿山所面临的由于岩体开挖诱发的动力灾害问题日益突出，严重威胁了矿山人员和财产安全。因此，合理的岩体工程设计、必要的稳定性评价具有十分重要的意义。而岩体强度参数对于岩体工程的设计、稳定性评价及数值计算有着显著的影响，选取合理的岩体强度参数已成为岩石力学研究领域的重要课题。尽管国内外学者提出了许多岩体强度估算方法，但大多方法是对室内试验强度指标的适当折减和加权平均，仅仅考虑了岩体破坏的静态影响因素（水、地应力），而矿山开采是一个周期性长、空间多点立体开挖的动态过程，紧考虑静态影响因素是不够的。近30年来，微震监测技术被广泛的应用于矿山动力灾害的预测预报，取得了良好的效果。微震监测技术可以监测岩体破坏的整个过程，每一个微震事件都包含了丰富的关于岩石破裂的有用信息。因此，利用微震监测数据对岩体强度进行标定具有重要意义。
　　本文在总结和分析前人研究的基础上，以石人沟铁矿为例，通过数字测量技术获得岩体结构面的几何参数信息，应用Hoek-Brown强度准则估算岩体静态强度参数，并基于结构面网络模拟技术和数值模拟技术开展岩体强度表征单元体研究。结合矿山现场实际，开展岩体力学特征演化的微震活动规律研究。在此基础上，结合数值模拟技术提出了基于微震监测数据的岩体强度表征方法，具有一定的理论和实际应用价值。主要工作归纳为以下几个方面:
　　(1)采用数字摄像测量技术对现场岩体结构面进行调查，建立岩体表面真实的三维模型，借助结构面采集软件，获取岩体结构面的几何参数信息（倾向、倾角、走向等），定量分析岩体结构面特征。
　　(2)基于广义的Hoek-Brown强度准则，结合获取的岩体结构面几何参数信息，开展岩体强度的估算，获得岩体静态强度参数值。采用蒙特卡洛网络模拟方法，实现了岩体结构面的三维网络模拟，然后选取典型剖面，应用数值模拟方法开展岩体强度表征单元体的数值模拟试验研究，获得岩体强度的表征单元体。
　　(3)详细介绍石人沟铁矿微震监测系统构建，确保石人沟铁矿岩体稳定性的实时监测和分析。通过对现场地质和施工资料的深入分析和现场勘查，结合传感器灵敏度和监测系统定位精度的试验分析，得到满足现场要求的微震监测系统，并建立有效的矿山微震波形库。
　　(4)选取重点研究区域，对微震活动的时空分布特征进行深入分析，并采用微震事件多参数（累积视体积、能量指数、分形维数、b值）统计分析方法对微震活动随时间演化规律进行研究。结合现场实际工况，通过微震活动规律研究扰动影响下岩体力学特征演化规律，验证岩体强度的空间差异性和时间变异性特征，为基于微震监测数据分析岩体强度提供帮助。
　　(5)对地下岩体破坏过程中产生的微震信号进行处理、分析，获得微震监测数据的三个参数（事件数量、能量、事件间距离），结合应力场数值计算结果，分析地下岩体失稳破坏过程的微震数据和应力场演化规律，得到微震数据变量和应力变量之间的对应关系。然后对不同表征单元体内的岩体强度参数进行综合反演，提出基于微震数据和应力场数据的岩体强度参数动态标定方法，并获得地下围岩稳定性的安全储备系数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体强度标定方法研究现状

1．2．2 微震监测技术及应用研究现状

1．3 研究存在的问题以及矿山岩体力学的特点

1．3．1 研究存在的问题

1．3．2 矿山岩体力学的特点

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本文的技术路线

第2章 岩体初始强度估算及表征单元体的确定

2．1 前言

2．2 石人沟铁矿概况

2．2．1 石人沟铁矿开采现状

2．2．2 石人沟矿区地质条件

2．2．3 目前矿区空区分布状况

2．3 基于ShapeMetrix 3D的岩体结构面信息统计

2．3．1 ShapeMetrix3D系统简介

2．3．2 石人沟铁矿岩体结构面数字测量

2．3．3 石人沟岩体结构面密度参数

2．4 基于Hoek-Brown准则的岩体强度参数研究

2．4．1 Hoek-Brown强度准则

2．4．2 基于Hoek-Brown强度准则的节理岩体强度估算方法

2．4．3 GSI的量化

2．4．4 石人沟岩体强度参数的计算

2．5 基于结构面网络模拟的岩体强度表征单元体的确定

2．5．1 基于Monte-Carlo方法的岩体结构面模拟

2．5．2 岩体单轴抗压强度表征单元体的确定

2．5．3 岩体抗剪强度表征单元体的确定

2．6 本章小结

第3章 石人沟铁矿微震监测系统简介

3．1 引言

3．2 矿山微震监测目的及微震监测系统的简介

3．2．1 石人沟铁矿微震监测的目的

3．2．2 石人沟铁矿微震监测系统简介

3．3 微震监测系统的布设

3．3．1 监测范围

3．3．2 传感器的布置方式

3．3．3 微震监测网络的建立

3．4 传感器的安装

3．4．1 传感器的安装

3．4．2 传感器安装效果验证

3．5 系统定位精度的验证及波形信号数据库的建立

3．5．1 石人沟系统定位精度的验证

3．5．2 石人沟铁矿微震波形数据库的建立

3．6 本章小结

第4章 基于微震监测数据的岩体力学特性变化规律分析

4．1 引言

4．2 石人沟铁矿微震信号时空分布特征

4．2．1 15#～16#勘探线间空区分布状况及存在问题

4．2．2 微震事件时空分布规律

4．3 岩体微震活动的统计学特征

4．3．1 能量指数与累积视体积关系变化规律

4．3．2 矿山微震活动的b值特征

4．3．3 微震活动的分维特征

4．3．4 对比分析

4．4 本章小结

第5章 基于微震监测数据的矿山岩体强度参数动态表征

5．1 引言

5．2 岩体破裂准则

5．2．1 矿山岩体破坏机理

5．2．2 矿山岩体强度劣化

5．3 基于微震监测数据的岩体强度表征原理

5．3．1 与岩体强度损伤劣化相关的微震参数的选择

5．3．2 基于微震监测数据的岩体强度表征方法

5．4 石人沟铁矿现场实例分析

5．4．1 研究区域选取

5．4．2 微震数据分析

5．4．3 应力场计算

5．4．4 基于微震监测数据的岩体强度参数表征

5．5 基于强度折减的岩体安全系数

5．6 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介