秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。

深部矿产与地热资源协同开采模式

为了解决深部矿产资源开采所面临的高温问题,降低深部地热开采成本,以基于开挖的增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems Based on Excavation Technology,EGS-E)为基础,提出了一种矿产与地热资源协同开采模式。该模式以围岩温度为标尺,将地质资源类型分为低温资源(50℃以下)、中温资源(50~100℃)和高温资源(100℃以上),对应的开采模式分别为低温矿产开采模式,中温“热矿共采”模式和高温地热开采模式。低温资源采用传统的矿产开采模式,以矿产资源开采为主。中温资源采用先采热后采矿的热矿共采模式,在对中温型地热资源进行利用的同时,可增加可采矿产资源储量。高温资源采用基于开挖的增强型地热系统(EGS-E),采用独特的热储致裂和热能交换技术实现地热资源大规模开采。研究表明:热矿协同开采模式将传统采矿技术与增强型地热系统相结合,既能消除中高温区域的热害影响,保证矿产资源安全开采,又能实现中温区域地热资源利用以及高温区域地热资源大规模开采;该模式以中高温地热资源的开采弥补矿产资源开采因温度升高引起的成本激增,同时以低温区域矿产资源开采缓解深部地热资源开发的巨额投资压力,为深部矿产和地热资源安全高效开发提供了一种新的方案。

Mechanism of stepwise tectonic control on gas occurrence: A study in North China

To gain an understanding of gas occurrence, distribution is the fundamental basis for preventing gas disasters. Presently, how tectonic structures control gas occurrence remains problematic. This study proposes the theory and elucidates the mechanism of stepwise tectonic control on gas occurrence according to the characteristics of gas occurrence and the patterns of gas distribution in coal mines in North China. On the one hand, tectonic compression and shearing lead to stress concentration and thus deform the coal and reduce the coal seam permeability, further contributing to gas preservation. On the other hand, tectonic extension and rifting lead to stress release and thus improve the coal seam permeability, further contributing to gas emission. Therefore, the distribution zones of tectonic compression, ubiquitous coal deformation, and gas accumulation have been step-wisely revealed, and the coal-gas outburst proneness zones are finally identified. The proposed theory of step-wise tectonic control on gas occurrence is of practical significance for gas prediction and control.

岩石破裂过程分析方法在隧道工程模拟中的应用

对隧道工程中的地质灾害进行总结,通过对真实破裂过程分析方法(realistic failure process analysis,RFPA)在隧道工程模拟中的相应应用进行综述,得到以下主要结论:在隧道工程施工中,隧道工程的主要地质灾害包括固体地质灾害、准流体地质灾害和流体地质灾害3大类;RFPA数值计算方法在与隧道工程施工相关的岩石力学及破坏特性获取、开挖条件下的隧道破坏模拟、层理岩体隧道开挖模拟、动力条件下隧道破坏模拟、深部围岩分区破裂模拟以及渗流作用下隧道稳定性分析等方面都得到了广泛的应用;目前,RFPA数值计算方法已经在计算精度、计算规模、计算速度、大规模求解过程的并行计算和数值计算云平台建设等方面取得了重大进展。随着技术进步和程序开发的不断深入,RFPA数值计算方法会在隧道工程模拟方面取得更为广泛的应用。

共光声池腔芯轴型空气衬底光纤麦克风

声传感器和光声池是激光光声光谱技术的核心组件。结合光纤迈克耳孙干涉仪、相位载波解调技术和纵向共振光声池,提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。光纤麦克风中的铜毛细管被用作光声池的共振腔,传感臂由10 m长的超细光纤缠绕在铜毛细管上构成,参考臂为5 cm长的短臂且已进行隔声隔振处理。基于结构共振频率稳定的特点,优化光纤麦克风的共振频率,使其略低于光声池的一阶纵向共振频率,以实现准双共振。实验结果表明,麦克风在共振频率为1443 Hz处的最小可检测声压为0.69μPa√Hz。在1 kHz处,声压电压响应线性度为99.98%(5 mPa~3 Pa),动态范围为112.52 dB。该光纤麦克风适用于高温、易爆和高电磁干扰等特殊环境下痕量气体的高精度检测。

天然岩石节理双阶粗糙度分形特征研究

为细化三维岩石节理粗糙度的表征、实现一阶大起伏及二阶小凸起的定量分离及量化,首先基于经典的三角棱镜法(triangular-prism method,TPM)将临界网格尺寸及临界波矢量确定为定量分离双阶粗糙度的界限参数。然后采用功率谱密度法(power spectrum density,PSD)分别计算双阶粗糙度表征参数,即一阶大起伏及二阶小凸起的分形维度及均方根粗糙度。以大尺寸天然花岗岩节理面为例计算并研究双阶分形参数的尺寸效应。结果表明:(1)TPM方法普遍适用于分离各尺寸节理面的双阶粗糙度,而临界网格尺寸及临界波矢量值则应视节理面尺寸范围而定;(2)100 mm×100 mm到1000 mm×1000 mm范围内的各尺寸节理面的一阶大起伏和二阶小凸起均具有各自的分形维度及均方根粗糙度;(3)双阶分形维度均具有随机尺寸效应。随着节理面尺寸的增大,一阶大起伏的均方根粗糙度不断增大,二阶小凸起的均方根粗糙度则平稳变化,且一阶大起伏的均方根粗糙度显著大于二阶小凸起的均方根粗糙度。双阶粗糙度的细化表征有助于深入分析结构面剪切过程,为诸如滑移型岩爆等地质灾害的预警提供理论基础。