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超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用——以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例

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隧道建设（中英文） 2023年第9期43卷 1533-1540页

作者：李立民唐烈先赵力中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院) 陕西西安710043 辽宁科技大学矿业工程学院辽宁鞍山114051 陕西省引汉济渭工程建设有限公司陕西西安710010

为克服引汉济渭工程秦岭输水隧洞施工过程中的高频高强岩爆问题,通过分析秦岭输水隧洞的地质特征、岩石力学特性及岩爆实际发生情况,开展单洞长度超过13 km连续洞段的以微震监测技术为主的岩爆监测与预警工作,构建移动式24 h连续微震监... 详细信息

为克服引汉济渭工程秦岭输水隧洞施工过程中的高频高强岩爆问题,通过分析秦岭输水隧洞的地质特征、岩石力学特性及岩爆实际发生情况,开展单洞长度超过13 km连续洞段的以微震监测技术为主的岩爆监测与预警工作,构建移动式24 h连续微震监测系统,建立基于微震能量的岩爆等级评价体系,并提出“以微震能量为主、以微震频次和集中度为辅”的简易定量化判别方法,大大提高了数据的易读性和监测结果的利用效率。应用结果表明:采用提出的方法后岩爆综合预警准确率达90%,施工过程中未发生因岩爆致人伤亡的事故,保障了工程进度和安全。

关键词：隧洞岩爆微震监测技术预警

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煤层底板突水综合监测技术及其应用

煤田地质与勘探 2020年第4期48卷 19-28页

作者：段建华中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

底板岩溶水害是华北型煤田较为普遍存在的问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,因此,底板突水监测预警已成为煤矿安全生产过程中的必要措施。底板水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程... 详细信息

底板岩溶水害是华北型煤田较为普遍存在的问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,因此,底板突水监测预警已成为煤矿安全生产过程中的必要措施。底板水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程,在此过程的不同阶段,底板裂隙、岩层视电阻率等均会释放出对应的突水征兆,及时、准确、有效地采集这些信息,根据这些信息判别突水过程中的具体水文地质特征,为建立突水监测系统奠定了基础。根据突水三要素,在葛泉煤矿东井11916工作面,利用井–地–孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建了底板突水综合监测系统,对引起突水的导水通道和水源2个要素进行实时监测。监测结果表明:正常情况下,11916工作面回采过程中底板破坏深度为20~25 m,但是在2019年9月14日工作面推进到中间巷道时,运料巷和中间巷来自顶板的压力对底板破坏的叠加作用,以及附近的陷落柱原有破裂,致使该位置底板破坏深度加大,达到30~35m,底板本溪灰岩水通过导水通道进入运料巷,底板出水2m3/h,从视电阻率监测结果中不难发现1个低阻异常体从底板下逐步向上发育的过程。利用井–地–孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建的底板突水综合监测系统能够捕捉到底板突水征兆,对于预测重特大水害事故的发生具有重要意义和实用价值。

关键词：底板突水微震监测技术视电阻率监测技术葛泉煤矿

基于EMD-SVD的矿山微震信号降噪方法及其应用

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安全与环境工程 2024年第3期31卷 110-119页

作者：朱权洁隋龙琨陈学习欧阳振华刘晓辉华北科技学院应急技术与管理学院河北三河065201 华北科技学院矿山安全学院河北三河065201

为了提高微震监测技术对微震信号分析处理的准确性,充分提取微震信号波形中的有效信息,针对矿山微震信号非平稳、非线性的特点,提出了一种基于经验模态分解(EMD)和奇异值分解(SVD)的联合降噪方法。该方法首先通过EMD分解获得信号的IMF分... 详细信息

为了提高微震监测技术对微震信号分析处理的准确性,充分提取微震信号波形中的有效信息,针对矿山微震信号非平稳、非线性的特点,提出了一种基于经验模态分解(EMD)和奇异值分解(SVD)的联合降噪方法。该方法首先通过EMD分解获得信号的IMF分量,利用相关系数、方差贡献率和相似度对IMF分量进行了优选;然后使用优选后的IMF分量重构一维微震信号时间序列的相空间数据,经过SVD分解后,利用奇异值能量百分比确立了SVD重构阶数,并根据SVD恢复原理得到了降噪后的一维微震时间序列;最后以山东某矿现场矿山爆破为例,采用不同降噪方法对3类典型微震信号进行了降噪处理,并对其降噪效果进行了对比分析。结果表明,EMD-SVD降噪方法与传统降噪方法相比,其平均信噪比提高了35%,平均均方根误差降低了50%,有效剔除了微震信号的噪声分量,保留了信号的特征信息。该研究对分析矿山微震信号、微震事件定位及煤矿动力灾害监测具有重要意义。

关键词：矿山安全微震监测技术微震信号降噪经验模态分解奇异值分解

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引汉济渭秦岭隧洞5号支洞岩爆微震响应研究

人民长江 2020年第3期51卷 167-173页

作者：段文硕张治强唐烈先王玉成李玉波辽宁科技大学矿业工程学院辽宁鞍山114051 东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110004 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

以引汉济渭秦岭输水隧洞5号支洞为研究对象,微震监测技术为手段,微震数据及岩爆实录资料为基础,分析了诱发岩爆的原因,并在此基础上探究了微震事件活动与岩爆的关系。研究结果表明:地应力和掘进速率是诱发岩爆产生的主要影响因素,且埋... 详细信息

以引汉济渭秦岭输水隧洞5号支洞为研究对象,微震监测技术为手段,微震数据及岩爆实录资料为基础,分析了诱发岩爆的原因,并在此基础上探究了微震事件活动与岩爆的关系。研究结果表明:地应力和掘进速率是诱发岩爆产生的主要影响因素,且埋深不同,其对岩爆产生的影响程度不同;微震事件的空间分布特征与掌子面位置存在紧密联系,其"时、空、强"特征可以形象地演示岩爆的产生过程并用于对岩爆的预测预警;岩爆不会一直持续发生,而是会经历扰动开挖-裂隙产生-岩体储能-裂纹发育贯通-能量释放的过程,且当能量释放不彻底时,容易形成频发型岩爆。

关键词：岩爆微震监测技术地应力掘进速率秦岭隧洞引汉济渭

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高瓦斯煤层覆岩活动规律研究

煤矿安全 2019年第9期50卷 232-235,239页

作者：田水承张帅陈龙刚杨兴波孔维静西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054

为了提高高瓦斯煤层采空区覆岩卸压瓦斯抽采效果,以微震监测的技术手段,对采动过程中采空区覆岩微震事件进行监测并记录,据此对采空区覆岩的破裂特征进行分析得到采动裂隙带的空间位置,进而判定采动覆岩高位瓦斯富集区。监测结果表明:... 详细信息

为了提高高瓦斯煤层采空区覆岩卸压瓦斯抽采效果,以微震监测的技术手段,对采动过程中采空区覆岩微震事件进行监测并记录,据此对采空区覆岩的破裂特征进行分析得到采动裂隙带的空间位置,进而判定采动覆岩高位瓦斯富集区。监测结果表明:工作面在回采期间周期来压步距约20 m,采动裂隙带高度约45 m,以此确定了高抽巷的垂距在38 m时最为合理,并利用理论计算的方法对此进行了验证。

关键词：微震监测技术采动裂隙带瓦斯富集区瓦斯抽放采空区

基于传感器阵列布置优化的微震监测多参数耦合预警方法研究

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基于传感器阵列布置优化的微震监测多参数耦合预警方法研究

作者：吴欣中南大学

学位级别：硕士

随着矿山开采逐步深入,深部开采面临“三高一扰动”的复杂环境,矿山开采安全形势日益严峻,而微震监测技术是矿山灾害监测预警的重要手段。因此,本文在微震监测技术理论研究的基础上,分析了微震定位精度的影响因素且重点探讨微震监测传... 详细信息

随着矿山开采逐步深入,深部开采面临“三高一扰动”的复杂环境,矿山开采安全形势日益严峻,而微震监测技术是矿山灾害监测预警的重要手段。因此,本文在微震监测技术理论研究的基础上,分析了微震定位精度的影响因素且重点探讨微震监测传感器阵列布设优化问题,并在此基础上提出表征灾害风险的微震多参数耦合预警方法研究,得到如下结论:(1)从传感器阵列规模尺度、传感器阵列几何布设影响研究及传感器与震源距离三方面研究分析了传感器阵列布设形态对震源定位精度的影响。分析表明传感器的布置严重影响定位结果的准确性,其中超过一定限值的传感器数量增大了问题波形出现的概率从而影响震源定位的精度;多边形阵列能够提供足够的方位相干性,带中心台站的布阵方式有更好的聚束效果,能够极大提高定位精度;地下岩层性质各不相同,弹性波传播路程越长,能量衰减越严重,信号中高频信息越少,定位越不准确。(2)在传感器阵列布设三个影响因素分析的基础上,采用最小二乘法和目标函数法建立基于小尺度监测的传感器阵列布设仿真模拟研究模型。采用多平面布置台站,设置确定的震源,形成上下两个平面包络震源,然后通过随机模拟传感器数量,在多平面布设的基础上增加多线型进行声发射源定位分析,考虑距离不同的相同传感器阵列对震源进行定位精度研究,结果显示传感器定位误差随传感器数量增加呈现下降的趋势,传感器数量对提高震源定位精度有积极作用;底面为四边形的四面体总体得到的定位误差偏小,其对声发射源的包络性更好,定位精度更高;距震源较近的传感器布置方式的定位精度相比提高了53.02%,提高了震源定位的准确性。(3)在分析微震监测系统传感器阵列优化布设对定位精度的影响的基础上,以深部开挖实时监测采集到的微震信号为基础,探讨微震监测参数与岩爆灾害发生之间的非线性关系,研究关于岩爆灾害风险的微震监测预警方法。基于Copula函数模型构建最优联合概率分布来确定岩爆灾害发生的可能性,并利用此方法和事故后果当量指标累乘计算岩爆灾害风险值,进而对岩爆灾害进行风险评估,并给出不同风险等级下采取的风险管控措施,为今后岩爆灾害的防控提供了指导与参考。图28幅,表18个,参考文献139篇

关键词：微震监测技术传感器阵列布设最小二乘法 Copula模型风险矩阵

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岩体工程中微震技术若干理论问题研究

岩体工程中微震技术若干理论问题研究

作者：唐超厦门大学

学位级别：硕士

随着“西部大开发”、“一带一路”战略的深入推进,不可避免地遇到大量的“大埋深、高应力”的岩体工程问题,开展工程岩体安全监测显得尤为重要。微震监测技术近年来在国内矿山、水电、隧道、能源储存等领域得到了广泛的应用,已成为岩... 详细信息

随着“西部大开发”、“一带一路”战略的深入推进,不可避免地遇到大量的“大埋深、高应力”的岩体工程问题,开展工程岩体安全监测显得尤为重要。微震监测技术近年来在国内矿山、水电、隧道、能源储存等领域得到了广泛的应用,已成为岩体工程安全监测的主要手段之一。但该技术是一种直接监测物理量(如振幅、频率、相位等)而非力学量(应力、应变等)的监测技术,在实际使用过程中还存在很多基础性理论问题。其中微震定位方法、微震信号P波初至到时拾取、基于矩张量理论的震源机制问题是微震技术的核心理论问题,也是目前微震技术研究的热点。针对上述核心理论问题开展相关研究对于推动微震技术的应用以及工程中的灾害预警效果具有重要的理论和实际意义。本文以理论分析为主结合实际工程项目开展相关研究工作主要得出以下结论:(1)开展微震震源定位精度研究,总结了现有算法的优缺点,分析了影响定位精度的主要影响因素。根据影响定位精度的因素,分别对定位算法和微震P波初至到时拾取进行了相应的改进。针对经典定位算法Geiger法存在初值选取以及未考虑波形传播距离影响的不足,提出采用高斯核函数定义距离加权矩阵来考虑弹性波由于传播距离而导致各传感器接收到的信息不确定度不一致的问题,通过加权最小二乘法求解震源空间参数;同时联合L2范数优化方法作为Geiger法的迭代初值,解决由于初值选取造成的不收敛问题。针对现有P波初至到时拾取精度易受先验参数的影响,本文首次提出了基于阻尼耗散能量功率的微震P波初至到时拾取方法,首先将微震信号转为了线弹性固定基单自由度具有粘性阻尼振子的地面激励,通过联合直方图法与AIC法计算阻尼耗散能量功率来拾取P波初至到时。相比较于经典的STA/LTA、AIC方法等,该方法具有不需要阈值、时窗等先验参数的设置,同时可以识别出噪声波形的优点。数值试验表明,基于阻尼耗散能量功率的微震P波初至到时拾取方法的抗噪性以及精度都高于STA/LTA、AIC 方法。(2)开展基于矩张量理论的岩体破裂震源机制解研究。根据位移场的互异性推导了弹性动力学的积分表达式以及位错模型所产生的位移场;详细说明了点源近似下远场P波位移时间函数的选取问题,通过正弦函数近似P波初动位移时间函数,解决了现有国内文献针对时间函数说明不足而给读者造成的误解;推导了单轴传感器点源近似下矩张量反演的格林函数表达式;针对前人在室内水压致裂试验基础上仅考虑张拉成份所提出的矩张量的ISO、DC、CLVD分量表达式的不足,本文进一步推导了考虑压缩成份的ISO、DC、CLVD分量表达式,并介绍了通过DC-CLVD钻石图来判断震源类型;以莫尔-库伦准则为基础,提出采用应力场反演方法中不稳定性系数来定义主破裂面,用于确定微震事件的主破裂事件。(3)针对矩张量幅值反演对于噪声敏感的问题,采用了一种基于PCA(Principal Components Analysis)原理的矩张量反演方法。通过PCA求解所有有效传感器的特征波形,以传感器接收到的波形与特征波形的相关性系数作为权重,以PCA幅值作为矩张量反演的有效幅值,通过加权最小二乘法求解矩张量。数据验证表明相比于传统的幅值反演方法,该方法能有效降低反演过程对于噪声的敏感性。针对实际工程中采用位错模型来解释非剪切分量存在的不足,阐述了广义位错模型的理论方法及其与矩张量的关系,基于现有的优势判别法,推导了广义位错模型下ISO、CLVD、DC分量的表达式,首次建立了根据位错矢量和破裂面夹角判定岩体破裂类型的方法。该方法无需对矩张量进行复杂的分解过程以及求解DC分量,计算简便。同时相比于Ohtsu的优势判别法,该方法可以判定压缩类型的破裂(压缩、压缩-剪切),完善了现有的岩体破裂类型判定方法。(4)基于上述理论方法对江西香炉山2018年10月27日监测到的一次宝贵的从孕震到发震过程的微震数据进行相关的研究分析。在震源定位的基础上,对孕震到发震过程的微震时空分布进行了分析。通过震源机制解以及不稳定性系数,对破裂面的时间演化规律进行了相应的分析,得出了主破裂面的产状。17个定位事件的岩体破裂类型为压-剪破坏以及拉伸-剪切破坏,与实际现场结果较符合,说明将地震中用于研究中尺度岩体破裂的矩张量理论应用于中尺度的工程岩体破裂分析是可行的。

关键词：微震监测技术微震定位 P波初至到时矩张量理论震源机制岩体破裂分析

黄陵二号煤矿209工作面覆岩裂隙发育规律及瓦斯治理研究

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黄陵二号煤矿209工作面覆岩裂隙发育规律及瓦斯治理研究

作者：艾航西安科技大学

学位级别：硕士

黄陵矿区煤炭开采过程中普遍存在瓦斯隐患,由于瓦斯抽采设计参数不合理,导致部分矿井瓦斯抽采量较低,瓦斯治理效果不佳。研究工作面上覆岩层的裂隙演化规律,确定合理的抽采位置,对瓦斯精准抽采具有重要的理论和实践意义。本文以黄陵二... 详细信息

黄陵矿区煤炭开采过程中普遍存在瓦斯隐患,由于瓦斯抽采设计参数不合理,导致部分矿井瓦斯抽采量较低,瓦斯治理效果不佳。研究工作面上覆岩层的裂隙演化规律,确定合理的抽采位置,对瓦斯精准抽采具有重要的理论和实践意义。本文以黄陵二号煤矿209工作面为对象,采用数值模拟与现场微震监测相结合的方法,研究209工作面回采过程中上覆岩层裂隙演化规律,进而判断裂隙带空间位置,为该工作面采空区和高位裂隙带瓦斯抽采设计和瓦斯治理提供科学依据。研究发现,在工作面推进过程中,沿工作面走向采空区覆岩产生卸压区,应力梯度由内而外、由中心向四周逐渐增大。随着工作面推进,充分卸压区范围和高度逐渐增大,高度最终稳定在距煤层70m左右。且工作面前方覆岩形成了卸压区、应力升高区和原岩应力区。微震监测发现顶板周期来压初期,采空区顶板裂隙开始孕育、产生和扩展,并以纵向裂隙为主;随着工作面推进,采空区中部和下部顶板不断产生新的裂隙并与原有裂隙相互贯通,形成顶板裂隙带,裂隙发育高度在60～80m之间,裂隙带平均高度为70m左右;采空区下部顶板裂隙贯通后发生较大范围垮落,上部顶板出现离层现象,至此,一次周期来压基本形成。现场监测时间段内,共产生了7次周期来压,周期来压平均步距约20m。根据数值模拟和微震现场监测结果,对高位钻孔进行了优化设计,209工作面瓦斯抽采效果显著提升,保证了工作面安全高效回采。

关键词：裂隙带瓦斯抽采微震监测技术数值计算周期来压

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蓄水条件下大坝微破裂特征与损伤机制研究

蓄水条件下大坝微破裂特征与损伤机制研究

作者：李宇大连理工大学

学位级别：硕士

我国水资源十分丰富,居世界第六位,但在地域上分布不均衡,呈东多西少、南丰北欠的状态,这成为制约经济发展的关键因素。为了缓解该问题,诸多水利工程相继开工建设,用于跨区域水资源调配。其中,引汉济渭工程即是为了解决关中地区水资源... 详细信息

我国水资源十分丰富,居世界第六位,但在地域上分布不均衡,呈东多西少、南丰北欠的状态,这成为制约经济发展的关键因素。为了缓解该问题,诸多水利工程相继开工建设,用于跨区域水资源调配。其中,引汉济渭工程即是为了解决关中地区水资源短缺、改善渭河流域生态环境的重点工程,其建成后西安等城市的用水短缺问题将得到有效缓解,对改变关中、陕北区域缺水局面具有重要战略意义。三河口水库即为该工程的水源地之一,在引水的同时也兼顾发电。三河口水库的拦水坝为一碾压混凝土双曲拱坝,水坝坐落区域地质条件复杂,为有效揭示蓄水期坝体的损伤机制和应力转移规律,本文结合数值模拟及微震监测技术展开了坝体蓄水初期的工作性态研究。结合三河口大坝开裂情况及前期微震监测数据,本文分析了2021年1月13日至2021年9月4日期间捕获的1516个微破裂事件;展开了对坝体的震源活动性空间分布规律、震源参数反演、裂缝开裂范围及开裂机理等相关工作的研究;同时提出了基于微震监测震源参数判定破裂形式的新指标。结合三维真实破裂过程分析软件RFPA-3D对坝体各蓄水高程下的应力及位移转移规律进行研究,初步揭示了坝底区域在各蓄水高程下的应力场分布,结合微震监测数据及数值模拟结果对坝体后缘出现的损伤区域进行评判。本文相关研究成果如下所示:(1)在三河口大坝内部构建了微震监测系统,开展了敲击实验以确定坝体混凝土波速,研究发现当混凝土弹性波波速为4100m/s时,采用单纯形法进行定位的平均定位误差最小为7.59m。采用落锤实验确定了坝体微震监测系统的能量拾取效率,测得的地震效率η=0.00396352。针对监测时段捕获到的几种典型事件进行了频谱分析,利用傅里叶变换确定本文微震事件的信号构成,结果表明坝体微震信号的构成较为简单,其最大幅值约为14.7m V,持续时间约为360ms,频率范围主要集中于50-600Hz。(2)通过微震监测系统捕获的微震数据,研究了微震事件的时-空分布规律,判定震级较大、释放能量较高的微震事件主要集中于坝体底部,坝体微震活动性于三月后逐渐增强,于2021年3月31日-4月20日时间段内出现了高能量释放区段。针对消力塘交通廊道出现的环状裂缝的损伤机制及影响范围进行了研究,分析了该裂缝区域附近15m范围内的30个微震事件,根据相关区域微震事件的震源参数计算了该区的b值与视应力、视体积。利用矩张量反演技术识别了该区域裂缝的连通性,认为裂隙区域与上部消力塘形成了渗水通道,消力塘区域的存水在自重作用下向下发生了渗漏。(3)提出了基于三河口大坝的E/E值判别方法,认为当E/E≤8时为拉伸破坏,大于该值则为压剪破坏。同时根据矩张量反演结果的P值对开裂机理进行判定,发现本文提出的E/E判别法与矩张量方法获取的微破裂类型在数量上较为一致,验证了基于三河口大坝的E/E值识别破坏类型新判别方法的正确性。利用E/E值对数值模拟中坝踵区出现的损伤进行了分析,发现当蓄水位逐渐增加后该区域拉破坏事件占比逐步上升,认为拉应力区的出现是导致该区域损伤的重要原因。(4)在考虑微震损伤的前提下,采用RFPA-3D软件分析了坝体位移及应力转移规律,研究了不同蓄水位下坝体的应力场及位移场分布情况,发现坝体底部压应力区逐渐由坝踵区转移至坝趾区,且坝踵区在正常蓄水位工况下出现了拉应力。为验证数值模拟的正确性,分别利用微震监测结果及现场位移实测值开展对比验证,研究表明坝体在相应水位下的变形规律与实测值趋于一致;数值模拟所揭示的应力场转移规律与微震监测所得结果十分吻合。

关键词：拱坝损伤机制应力转移矩张量反演微震监测技术数值模拟