水电工程深埋隧洞围岩破裂结构特征及其与岩爆的关系《煤矿安全双七条规定》暨预防煤矿顶板事故专题技术讲座

　　《《煤矿安全双七条规定 煤矿安全双七条规定》》暨预防煤矿顶板事故专题技术讲座 暨预防煤矿顶板事故专题技术讲座

　　水电工程深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　及其与岩爆的关系

　　周辉

　　中国科学院武汉岩土力学研究所

　　周辉

　　2013年月8 日

　　中国科学院武汉岩土力学研究所

　　岩土力学与工程国家重点实验室

　　2013年7 月8 日

　　提提纲纲

　　一. 一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　四. 四.微震监测与深埋隧洞岩爆预测 微震监测与深埋隧洞岩爆预测

　　结语 五.结语

　　深埋隧洞岩爆的 般性规律 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的危害性

　　一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　¾ 发生频率高，强度高

　　¾ 相对危害性大：掌子面设备和人员 相对危害性大：掌子面设备和人员

　　深埋洞段最高岩爆发生

　　¾ 深埋隧洞岩爆的危害性

　　相对危害性 掌子面备和员 相对危害性 掌子面备和员

　　集中，空间局限，可供避让的空间

　　小，易造成重大伤亡和设备损坏

　　2500m

　　深埋洞段最高岩爆发生

　　频率：平均1次/3m

　　9 死亡7人

　　9 上亿元的TBM报废

　　9 掌子面无法恢复

　　引水隧洞和

　　施工排水洞

　　2500m

　　施工排水洞

　　辅助洞

　　16.7km

　　锦屏II 水电站深埋隧洞

　　施工排水洞2009.11.28岩爆(大理岩) 岩爆(大理岩)

　　雅砻江

　　施工排水洞2009.11.28岩爆(大理岩) 岩爆(大理岩)

　　深埋隧洞岩爆的 般性规律 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　锦屏II 水电站辅助洞B岩爆统计

　　地下水 地下水+结构面 结构面

　　锦屏II 水电站辅助洞B岩爆统计

　　1 、“有结构面有岩爆，有水无岩爆” 、“有结构面有岩爆，有水无岩爆”—存在相对性 有结构面有岩爆，有水无岩爆 有结构面有岩爆，有水无岩爆 存在相对性

　　深埋隧洞岩爆的 般性规律 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　2-2-E(K7+717)

　　1-2- W(K8+ 263 )

　　2-2-E(K7+717)

　　1-2- W(K8+ 263 )

　　2-2 -E (K7+717) 1-2 -W (K 2-2 -E (K7+717) 1-2 -W (K

　　锦屏II 水电站辅助洞A岩爆统计

　　2 、“应力异常区易发(向 、“应力异常区易发(向/ 背斜核部较多)” 背斜核部较多)”—存在随机性 应力异常区易发 向 应力异常区易发 向背斜核部较多 存在随机性

　　深埋隧洞岩爆的 般性规律 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的 般性规律

　　一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　¾ 深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　18

　　6

　　9

　　12

　　15

　　18

　　次数 n (次)

　　0

　　3

　　6

　　2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

　　距掌子面距离 (m)

　　岩爆次

　　辅助洞时滞性岩爆

　　岩爆多发生在距掌子面6 ～12m 的范围内，掌

　　子面开挖后的5 ～20小时是岩爆发生的高峰期

　　3 、工程实际所遇到的大多数岩爆都存在时滞性特征 、工程实际所遇到的大多数岩爆都存在时滞性特征—随机性、突发性、 随机性、突发性、

　　辅助洞时滞性岩爆

　　子面开挖后的5 20小时是岩爆发生的高峰期

　　3 、工程实际所遇到的大多数岩爆都存在时滞性特征 、工程实际所遇到的大多数岩爆都存在时滞性特征 随机性、突发性、 随机性、突发性、

　　无明显征兆;滞后发生时间与岩爆强度之间无明显规律

　　深埋隧洞岩爆的 般性规律 深埋隧洞岩爆的 般性规律 一.深埋隧洞岩爆的一般性规律 深埋隧洞岩爆的一般性规律

　　可见：

　　‡ 岩爆的影响因素众多;

　　‡ 各影响因素的作用机制复杂 ‡ 各影响因素的作用机制复杂;

　　‡ 虽有一些规律，但随机性很强。 ‡ 虽有 些规律，但随机性很强。

　　—寻求和探究深埋隧洞岩爆形成的共性机制，对于正确认知

　　岩爆的复杂物理过程，以及建立相应的预测和防治方法尤

　　为重要。

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征 二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩破裂结构的构成 ¾ 围岩破裂结构的构成

　　锦屏II 水电站2#引水隧

　　洞北侧墙岩爆(2010.2.19) (2010.2.19)

　　锦屏II 水电站辅助洞3#试验

　　洞南侧拱肩岩爆(2010.1.6)

　　岩爆前的围岩层裂

　　形态

　　()

　　岩爆前的

　　围岩层裂

　　形态

　　结构面

　　掌子

　　面位

　　岩爆区域 掌子

　　面位

　　置

　　岩爆区域

　　面位

　　置

　　z 板状层裂，张开度3~27mm

　　z 密集的薄片状曲面层裂，

　　层裂面闭合

　　z 1 天后发生中等岩爆

　　层裂面闭合

　　z 3 天后发生中等-强烈岩爆

　　‡ 隧洞开挖后会出现明显的、规律性的、不同形态的围岩板裂化现象; 隧洞开挖后会出现明显的、规律性的、不同形态的围岩板裂化现象; ‡ 隧洞开挖后会出现明显的、规律性的、不同形态的围岩板裂化现象; 隧洞开挖后会出现明显的、规律性的、不同形态的围岩板裂化现象;

　　‡ 板裂面(+结构面)切割围岩形成的围岩破裂结构，与岩爆关系密切。

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征 出露于洞壁的形态

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征—出露于洞壁的形态

　　薄片状 曲面状 规则闭合板状

　　规则张开板状 不规则张开板状 巨厚板状

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征 沿隧洞断面的分布特征

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征—沿隧洞断面的分布特征

　　数字钻孔摄像裂隙演化

　　辅助洞A

　　观测钻孔

　　JPTSA-3-S2-DB-01

　　2009-10-13

　　‡ 沿洞壁断面方向存在两个泾

　　孔口

　　孔口

　　2010-01-03

　　渭分明的板裂化区域—密集

　　板裂区和稀疏板裂区，但裂

　　面均近似平行于洞壁;

　　孔口

　　孔口

　　2010-01-04

　　‡ 密集板裂区的深度一般小于

　　2m，多为1m以内;

　　‡ 稀疏板裂区位于密集板裂区

　　以外此区域内裂隙间距数 以外此区域内裂隙间距数 分界线

　　2010-01-07

　　稀疏板裂区形态

　　以外，此区域内裂隙间距数 以外，此区域内裂隙间距数

　　十cm~ 数十m不等;有时不

　　明显。

　　分界线

　　稀疏板裂区形态

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征 沿隧洞断面的分布特征

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 围岩板裂化的几何特征—沿隧洞断面的分布特征

　　密集板裂区内： 隧

　　‡ 板裂厚度数cm~ 十几cm不等，形态各异，板裂面多为张开;

　　‡ 受施工等因素影响，密集板裂区有时会由于表层剥落/垮塌而

　　局部或全部缺失

　　开

　　挖

　　洞

　　局部或全部缺失。 局部或全部缺失。 挖

　　面

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　密集板裂面产状与开挖的关系

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 密集板裂面产状与开挖的关系

　　上 掌子面位置

　　a

　　b

　　a —第一步开挖

　　b —第二步开挖

　　a

　　b

　　a —第一步开挖

　　b —第二步开挖

　　掌子面方向

　　洞轴线

　　上一掌子面位置 上一掌子面位置

　　密集板裂区的轮廓

　　(细胞自动机模拟结果)

　　板裂面与掘进方向的关系 板裂面与掌子面的关系示

　　意图

　　‡ 一般性规律为：近似平行于开挖面;

　　‡ 受掌子面空间结构效应的影响，板裂面在每个掌子面附近倾向于洞轴线，并随开挖 受掌子面空间结构效应的影响，板裂面在每个掌子面附近倾向于洞轴线，并随开挖

　　循环而呈周期性变化;出露于洞壁即为通常看到的围岩板裂化现象; 循环而呈周期性变化;出露于洞壁即为通常看到的围岩板裂化现象; 循环而呈周期性变化;出露于洞壁即为通常看到的围岩板裂化现象; 循环而呈周期性变化;出露于洞壁即为通常看到的围岩板裂化现象;

　　‡ 循环进尺不同，板裂面的周期性结构形态有所不同。

　　二二 深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　密集板裂面产状与开挖的关系

　　二. 二.深埋隧洞围岩破裂结构特征

　　¾ 密集板裂面产状与开挖的关系

　　第一次开挖方向

　　‡ 一旦形成第一组板裂面，一般难以再形成其他不同产状的板裂面; 一旦形成第一组板裂面，一般难以再形成其他不同产状的板裂面; ‡ 旦形成第 组板裂面， 般难以再形成其他不同产状的板裂面; 旦形成第 组板裂面， 般难以再形成其他不同产状的板裂面;

　　‡ 第一次开挖形成的板裂面将主导围岩后续破坏的基本形式、强度和范围等特征。 第一次开挖形成的板裂面将主导围岩后续破坏的基本形式、强度和范围等特征。

　　三三 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 深埋隧洞岩爆的 般过程

　　三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 深埋隧洞岩爆的一般过程 深埋隧洞岩爆的一般过程

　　结构面

　　板裂面

　　深埋隧洞发生过程示意图

　　‡ 开挖→洞壁围岩一定深度内产生不同几何形态的板裂→板裂面(+结构面)切割围岩

　　形成围岩破裂结构( 形成围岩破裂结构(成为潜在的岩爆结构 成为潜在的岩爆结构)→潜在的岩爆结构经过一定时间(长、

　　短)的发展演化发生突发性失稳破坏 形成岩爆( )的发展演化发生突发性失稳破坏 形成岩爆(时滞性 瞬时 时滞性 瞬时) 短)的发展演化发生突发性失稳破坏，形成岩爆( )的发展演化发生突发性失稳破坏，形成岩爆(时滞性、瞬时 时滞性、瞬时)。 )。

　　三三 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理 三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 板裂面切割围岩构成的岩爆结构 ¾ 板裂面切割围岩构成的岩爆结构

　　密集板裂区深度

　　板裂结构

　　断裂区

　　应变型

　　岩爆区

　　岩爆后最大块体在北侧边

　　墙上留下的爆坑

　　‡ 密集板裂区一般是发生岩爆的主要区域和先导 密集板裂区一般是发生岩爆的主要区域和先导→→板裂弯曲折断，阶梯状断裂; 板裂弯曲折断，阶梯状断裂;

　　‡ 往往会进一步诱发应变型岩爆，形成爆坑;岩爆最大深度大于爆前密集板裂区的深度 往往会进一步诱发应变型岩爆，形成爆坑;岩爆最大深度大于爆前密集板裂区的深度(程度);

　　‡ 密集板裂区缺失时，一般表现为应变型岩爆特征; 密集板裂区缺失时，一般表现为应变型岩爆特征; ‡ 密集板裂区缺失时， 般表现为应变型岩爆特征; 密集板裂区缺失时， 般表现为应变型岩爆特征;

　　‡ 岩爆强度受板裂厚度及其完整性控制，破碎的板裂结构一般对应弱岩爆，或以垮塌的形式破坏; 岩爆强度受板裂厚度及其完整性控制，破碎的板裂结构一般对应弱岩爆，或以垮塌的形式破坏;

　　‡ 此类岩爆在锦屏II 深埋隧洞发生频率最高，但岩爆强度并不最高，大多数为弱 深埋隧洞发生频率最高，但岩爆强度并不最高，大多数为弱—中等岩爆;

　　三三 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　板裂面结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 板裂面+结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　结构面

　　结构面

　　结构面

　　结构面

　　结构面

　　结构面

　　洞轴线

　　‡ 结构面往往是岩爆的主导因素，其作用本质上是提供了一个“相对自由面”; 结构面往往是岩爆的主导因素，其作用本质上是提供了一个“相对自由面”;

　　‡ 三种基本位置关系类型 岩爆的机理 风险以及可能的岩爆强度不同 三种基本位置关系类型 岩爆的机理 风险以及可能的岩爆强度不同

　　I ：强度高—很高 II ：强度高—很高 III：强度较低

　　‡ 三种基本位置关系类型，岩爆的机理、风险以及可能的岩爆强度不同; 三种基本位置关系类型，岩爆的机理、风险以及可能的岩爆强度不同;

　　‡ 结构面对岩爆的影响及其程度取决于其与掌子面/洞壁的相对位置关系(角度、距离)、结构面的

　　性质、地应力等。

　　三三 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　板裂面结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 板裂面+结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　锦屏II 施工排水

　　凹坑深

　　度约6m

　　该范围内岩

　　体全部震垮

　　锦屏II 施工排水

　　洞2009.11.28岩爆

　　分析

　　NW向刚性

　　断裂，倾

　　NE40～50

　　拉破坏痕迹

　　三三 深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　板裂面结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　三. 三.深埋隧洞围岩破裂结构形成岩爆的机理

　　¾ 板裂面+结构面组合切割围岩构成的岩爆结构

　　凹坑深

　　度约6m

　　该范围内岩

　　体全部震垮 NW向刚性

　　断裂 倾

　　锦屏II 施工排

　　水洞2009.11.28

　　岩爆分析

　　断裂，倾

　　NE40～50

　　拉破坏痕迹

　　四四 微震监测与深埋隧洞岩爆预测 四. 四.微震监测与深埋隧洞岩爆预测

　　¾ 微震监测分析技术—信号识别

　　1) 多指标小波- 神经网络波形识别方法

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　1) 多指标小波- 神经网络波形识别方法

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　1) 多指标小波- 神经网络波形识别方法

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　1) 多指标小波- 神经网络波形识别方法

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　挑战：很多情况下波形特征不明

　　显，破裂源定位精度不高

　　小波变换提取波形

　　特征算法

　　‡ 连续小波变换

　　实测信号1

　　小波变换提取波形

　　特征算法

　　‡ 连续小波变换

　　实测信号1

　　小波变换提取波形

　　特征算法

　　‡ 连续小波变换

　　实测信号1

　　小波变换提取波形

　　特征算法

　　‡ 连续小波变换

　　实测信号1

　　0.1 0.2

　　‡ 离散小波变换

　　‡ 阈值波形去噪

　　‡ 离散小波重构

　　实测信号

　　0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2

　　‡ 离散小波变换

　　‡ 阈值波形去噪

　　‡ 离散小波重构

　　实测信号

　　0.1 0.2

　　‡ 离散小波变换

　　‡ 阈值波形去噪

　　‡ 离散小波重构

　　实测信号

　　0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2

　　‡ 离散小波变换

　　‡ 阈值波形去噪

　　‡ 离散小波重构

　　实测信号

　　多指标神经网络波

　　形识别

　　前人方法：很难识别

　　主频

　　最大振幅

　　多指标神经网络波

　　形识别

　　前人方法：很难识别

　　主频

　　最大振幅

　　主频

　　最大振幅

　　多指标神经网络波

　　形识别

　　前人方法：很难识别

　　主频

　　最大振幅

　　多指标神经网络波

　　形识别

　　前人方法：很难识别

　　主频

　　最大振幅

　　主频

　　最大振幅

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩石破裂波形

　　噪音信号

　　最大振幅

　　波形初至

　　持续时间

　　全局振铃率

　　. . . . .

　　. . . . .

　　岩体破裂信号(进行定位分析)

　　本方法滤噪结果：岩石破裂信号

　　岩体破裂信号(进行定位分析)

　　本方法滤噪结果：岩石破裂信号

　　岩体破裂信号(进行定位分析)

　　本方法滤噪结果：岩石破裂信号

　　岩体破裂信号(进行定位分析)

　　本方法滤噪结果：岩石破裂信号

　　四四 微震监测与深埋隧洞岩爆预测 四. 四.微震监测与深埋隧洞岩爆预测

　　¾ 微震监测分析技术—定位算法

　　前 2 ) 破裂源分层定位方法 前 2 ) 破裂源分层定位方法 前 2 ) 破裂源分层定位方法 前 2 ) 破裂源分层定位方法

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　) 破裂源分层定位方法

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　) 破裂源分层定位方法

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　) 破裂源分层定位方法

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　人

　　方

　　法

　　破裂源集中区

　　) 破裂源分层定位方法

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　新

　　方

　　掌子面

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　n

　　k

　　L ⎛⎞ ∑

　　破裂源发震时间的求解算法

　　法 破裂源在传感器的阵列之外

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　1

　　k

　　k

　　k

　　L

　　w

　　V

　　t

　　n

　　=

　　⎛⎞−

　　⎜⎟⎝⎠ =

　　∑

　　破裂源位置和岩体波速联合反演方法

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　解决了

　　z 波速与发震时间的关联性问题

　　z 波速难于确定

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　2

　　1

　　n

　　k

　　k

　　k

　　L

　　QWV =

　　Δ ⎡⎤ =Δ− ⎢⎥⎣⎦ ∑

　　z 波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　波速难于确定

　　z 传感器阵列范围之外震源定位不准问题

　　z 传统方法对系数矩阵的依赖

　　四四 微震监测与深埋隧洞岩爆预测 四. 四.微震监测与深埋隧洞岩爆预测

　　¾ 前兆特征

　　应变型

　　高应力主导

　　从裂隙演化角

　　度揭示机理

　　从机制上

　　应变型

　　应变- 结构

　　高应力+ 结构

　　应变结构

　　面滑移型

　　高应力+ 结构

　　面共同作用

　　从时空显

　　即时型

　　开挖卸荷效

　　应影响范围

　　内发生

　　NWW

　　V 字型爆坑

　　现特征上

　　时滞型

　　开挖卸荷效

　　应结束后一

　　段时间发生

　　掌握前兆规律

　　NWW

　　结构面

　　段时间发生

　　掌握前兆规律

　　信息 信息→→建立预 建立预

　　测预警方法

　　涨壳式中空注浆预应力

　　锚杆,T=80kN

　　11 )即时型岩爆孕育规律及机制 )即时型岩爆孕育规律及机制- 基于微震

　　规律一：微震事件持续增加，位置集中

　　1 )即时型岩爆孕育规律及机制 )即时型岩爆孕育规律及机制- 基于微震

　　引2

　　#

　　TBM开挖

　　岩爆区

　　N

　　引2

　　#

　　TBM开挖

　　岩爆区

　　掌子面

　　N

　　引2

　　#

　　TBM开挖

　　岩爆区

　　掌子面

　　N

　　引3

　　#

　　引4

　　#

　　微震事 掌子面

　　引3

　　#

　　引4

　　#

　　微震事

　　引3

　　#

　　引4

　　#

　　微震事

　　8 日偶尔轻微岩爆，

　　进尺9.1m

　　9 日多次轻微岩爆，

　　进尺11.2m

　　10日持续轻微岩爆和强岩爆，

　　进尺15.3m

　　引2

　　#

　　#

　　TBM开挖

　　岩爆区

　　掌子面

　　N

　　引2

　　#

　　引3

　　#

　　TBM开挖

　　岩爆区

　　掌子面

　　N

　　引3

　　#

　　引4

　　#

　　微震事

　　引3

　　#

　　引4

　　#

　　微震事

　　11 日中等岩爆，

　　12日无岩爆

　　11 日中等岩爆，

　　进尺8.9m

　　12日无岩爆，

　　进尺4m

　　11 )即时型岩爆孕育规律及机制- 基于微震

　　规律二：能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势;

　　视体积持续增加，且有突增趋势。

　　岩爆孕育期 预警预报期 岩爆发生期 岩爆孕育期 预警预报期 岩爆发期

　　EI

　　V

　　A / m

　　-3

　　能量指数

　　视体积

　　t /d

　　11 )即时型岩爆孕育规律及机制- 基于微震

　　规律三：微震事件无明显 微震事件无明显““平静期 平静期””，一般发生在掌子面开挖卸荷扰动范 ，一般发生在掌子面开挖卸荷扰动范

　　围内的岩爆

　　微震活跃期，岩爆发生期

　　即时应变型岩爆孕育机制： 即时应变型岩爆孕育机制：张拉

　　破坏为主

　　20- 35cm

　　2011 年6月8日0:30 左右在3#TBM引

　　( 3) K11+080~090 ( 3) K11+080~090 北侧边墙至拱肩发

　　2035cm

　　()

　　生轻微岩爆，最大爆坑深度

　　20~35cm

　　岩爆事件

　　即时应变 即时应变结构面滑移型岩爆孕 即时应变-结构面滑移型岩爆孕

　　育机制：

　　z 频繁张拉破坏+偶尔剪切破坏 z 频繁张拉破坏+偶尔剪切破坏

　　z 破坏面走向与洞轴线夹角85% 小

　　于40度，倾角为大倾角，岩爆爆坑

　　以“V”形为主

　　岩爆事件

　　6月9日01:06:54

　　剪切事件

　　6月10日06:19:33剪

　　切事件

　　2011 2011 年6月11 日0:30 左右在3#TBM引 2011 年6月11 日0:30 左右在3#TBM引

　　(3)K11+045~054 南侧边墙至拱肩发生强烈岩

　　爆，最大爆坑深度 爆，最大爆坑深度1~1.2m ，

　　V形爆坑

　　剪切控制面

　　V形爆坑

　　V形爆坑

　　爆出岩块之一

　　张拉破坏面

　　22 )时滞型岩爆孕育规律与机制- 基于微震

　　规律一：该区开挖时微震事件持续增加，空间位置集中，岩爆发生前微震

　　事件较少 存在平静期 事件较少 存在平静期

　　2 )时滞型岩爆孕育规律与机制- 基于微震

　　活跃期 平静期25天 再度活跃

　　平静期6天

　　事件较少，存在平静期。 事件较少，存在平静期。

　　1-2-E

　　微震事件个数

　　该区开挖时微震事件空间分布

　　岩爆

　　岩爆

　　时间/月日

　　该区开挖到岩爆发生微震事件演化规律 该区开挖时微震事件空间分布 该区开挖到岩爆发生微震事件演化规律

　　1月13日第一次时滞岩爆发生时微震事件空间分布 2月13日第二次时滞岩爆发生时微震事件空间分布

　　22 )时滞型岩爆孕育规律与机制- 基于微震

　　规律二：该区开挖时视体积持续增加，有突增趋势;;能量指数持续高位 能量指数持续高位, ,

　　2 )时滞型岩爆孕育规律与机制- 基于微震

　　有下降趋势;岩爆发生时视体积和能量指数变化不明显。

　　岩爆

　　活跃 再活跃

　　平静6天

　　平静25天

　　能量指数

　　岩爆

　　视体积

　　视体积和能量指数演化规律

　　时滞型岩爆孕育机制： 时滞型岩爆孕育机制：拉伸、剪切及拉剪混合型破坏⇒ 沿破坏面扩展的拉伸

　　喷层+ 随机锚杆 喷层+ 随机锚杆

　　第一次岩爆： 第一次岩爆：

　　第二次岩爆：

　　第二次时滞性岩爆

　　破坏⇒ 平静⇒ 剪切破坏主导⇒ 岩爆发生

　　弹出块体最远约8m

　　第一次时滞岩爆

　　弹出块体最远约8m

　　第一次时滞岩爆

　　第 次岩爆： 第 次岩爆：

　　9 2011 年1月13日

　　9 滞后开挖6天

　　9 距离掌子面15m

　　9 2011 年2月23日

　　9 滞后开挖62天

　　9 距离掌子面100m

　　9 爆坑最大深度06

　　9 爆坑最大深度0.7m

　　9 多见拉伸和剪切面

　　9 爆坑最大深度0.6m 0.6m

　　9 多见拉伸和剪切面

　　岩爆

　　拉伸扩展

　　岩爆

　　张剪混合破

　　坏

　　拉伸扩

　　展

　　55天平静 天平静

　　期

　　25 25天平静期 天平静期

　　矩张量分析破坏类型演化机制

　　五 结语 五 结语

　　规律性的板裂化破裂是深埋隧洞硬脆性围岩的普遍规律和现象 板裂面( 板裂面(

　　五、结语 五、结语

　　1. 规律性的板裂化破裂是深埋隧洞硬脆性围岩的普遍规律和现象， 的普遍规律和现象，板裂面( 板裂面(+

　　结构面)切割围岩形成围岩破裂结构，成为潜在的岩爆结构 切割围岩形成围岩破裂结构，成为潜在的岩爆结构;;

　　2. 在一定条件下，围岩破裂结构特征将主导围岩后续破坏的基本形式、范围、

　　机制和强度 从围岩的结构性特征出发来探究深埋隧洞岩爆的形成机理至关 机制和强度 从围岩的结构性特征出发来探究深埋隧洞岩爆的形成机理至关 机制和强度，从围岩的结构性特征出发来探究深埋隧洞岩爆的形成机理至关 机制和强度，从围岩的结构性特征出发来探究深埋隧洞岩爆的形成机理至关

　　重要;

　　3. 采用微震监测手段进行深埋长线性工程岩爆风险评估和预测是一条有希望的

　　途径 尚存在诸多技术难题(传感器整列、前兆和阈值等); 途径 尚存在诸多技术难题(传感器整列、前兆和阈值等); 途径，尚存在诸多技术难题(传感器整列、前兆和阈值等); 途径，尚存在诸多技术难题(传感器整列、前兆和阈值等);

　　4. 深埋隧洞岩爆vs 煤矿冲击地压：关键影响因素、表现形式、异同。

　　谢谢 谢谢

　　贵意 欢迎多提宝贵意见!