深部开采硬岩失稳微震监测的静态风险场研究

作     者：朱环宇 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董陇军;黄小丰

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：微震监测 硬岩失稳 Copula函数 格林函数 风险场 风险总量 

摘      要：随着地表资源的逐渐枯竭,深部高应力和开采扰动引起的硬岩失稳严重影响安全开采。本文利用矿山现场微震监测数据建立了硬岩失稳风险场模型,以此对硬岩失稳风险进行了可视化展示,通过现场试验、统计分析、数值计算等多种相结合的方法,系统研究并提出了基于矿山现场微震监测数据的深部开采过程中的硬岩失稳风险场模型,然后通过使用微震事件和爆破事件进行对比来验证模型的可行性和实用性,并在此基础上进行基于曲面积分的风险总量计算。本文的主要研究内容和研究成果如下:(1)矿山现场微震监测试验。通过布设本课题组自主研发的智能微震监测系统进行实时监测。该系统对采集到的监测数据进行分类,主要包括有微震事件、爆破事件、凿岩事件以及未知波形等,通过无需预先测定波速的定位方法求解出震源坐标,并在此基础上得出峰值速度(PGV)、峰值加速度(PGA)、能量等一系列震源参数,为后续风险场模型的建立和结果验证提供数据依据。(2)基于离散和非离散数据概率值的计算。针对采集到的现场监测数据分为两种类型:离散和非离散。离散数据通过二维Copula函数进行处理,使用常见的Copula函数对微震事件中所触发传感器的能量和地震矩的联合概率分布函数进行求解,得出Copula函数下的数学统计意义上的离散概率计算结果。非离散数据使用格林函数进行处理。本文使用了四种预测模型对震源机制进行预测,分别为脉冲(Impulsive)、周期(Periodic)、线性(Linear)、随机(Random),通过将震源函数与经由波动方程导出的格林函数进行卷积积分得到地面运动的弹性动力学方程,即监测点处峰值速度(PGV)、峰值加速度(PGA)和峰值位移(PGD)。然后通过准时点质量震源模型近似得出地震矩,根据地震矩和矩震级之间的关系得出目标监测范围内的矩震级最大值和最小值,最后使用截断的指数概率密度函数进行求解,为不同类型的监测数据的进一步处理提供了基础与模型。(3)硬岩失稳风险场的构建。本文选择能够反应硬岩失稳的声发射参数作为严重度求解指标,构建硬岩失稳严重度的评价指标体系,然后通过计算得出各个参数对应的权重值。针对离散和非离散两种不同类型的现场监测数据选择不同的参数指标进行计算,其中前者采用峰值速度(PGV)、峰值加速度(PGA)和能量通量进行计算,后者采用监测点格林函数运动方程给出的监测点峰值位移(PGD),峰值速度(PGV)和峰值加速度(PGA)作为评价指标进行严重度的求解,进而可以得出硬岩失稳风险场的函数表达式,并实现了深部开采硬岩失稳风险在三维空间中的可视化表征。(4)基于曲面积分的风险总量计算。本文以陕西某铅锌矿山的某个开采中段所在的采场区域截面作为评估目标进行风险总量的计算。为了直观的呈现风险值在空间中的分布特征和距离因素对于风险总量计算结果的影响,本文使用了等效区域对比和相同区域对比两种不同的对比结果来进行分析,直观的呈现了微震和爆破事件下的评估截面不同风险总量的大小,从而判断出风险值较大的截面,为深部矿山硬岩开采过程中的安全防护提供数据基础与理论支撑。图41幅,表19个,参考文献98篇