基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究

通过室内模拟花岗岩巷道岩爆试验,基于线性函数转换的归一化算法,将试验中获得的声发射场和红外温度场等多参量进行归一化处理,在分析其原始曲线特征的基础上,分析各参量在同一尺度下的演化特征,综合研究花岗岩巷道岩爆前兆。研究结果表明:声发射事件率、声发射能率、最高和最低红外辐射温度均适合作为岩爆灾害预测的主要参数。岩爆发生过程中各参量经过归一化处理,在统一尺度下能够快速、有效地识别岩爆发生的前兆。声发射能量加速释放是岩爆发生的早期预警信息;声发射平静期可作为岩爆灾害预警与采取控制措施的关键时期;最低辐射温度突降和最高辐射温度突增表明岩爆随时都有可能发生,这是岩爆发生的征兆。试验结果为岩爆灾害预测研究提供了新的方法和依据。

花岗岩巷道岩爆过程红外辐射时空演化特征室内模拟试验研究

通过含孔花岗岩的双向加载试验模拟巷道岩爆过程,以红外热像仪为观测手段,利用红外热像和最低红外辐射温度作为监测指标,研究岩爆过程中的红外辐射温度时空演化特征。结果表明:岩爆过程红外辐射时空演化特征与岩爆孕育、发生过程具有良好的同步性。岩爆发生前红外热像上出现低温嵌套于高温条带间的温度场,其在空间上的延伸扩展则是岩爆孕育和发展过程在温度场中的反映,其出现的位置对应着岩爆发生的区域。最低红外辐射温度呈现出上升-短暂下降-上升-下降4个阶段性特征,岩爆发生前最低红外辐射温度出现3个突变转折点。试验结果对于巷道岩爆灾害的时空预测具有一定的理论意义。

用突变理论预报巷道岩爆发生的可能性

文中进行了巷道岩爆模拟试验 ,记录岩爆发生过程中的声发射参数 ,应用突变理论对声发射参数进行分析 ,建立了巷道岩爆预测预报模型。

花岗岩巷道岩爆声发射信号主频特性试验研究

利用双轴伺服试验机开展花岗岩巷道岩爆模拟试验,采用声发射系统获取岩爆全过程的波形信号。基于频谱分析理论,研究岩爆孕育、发生全过程的声发射信号主频特性。研究结果表明:双轴加载条件下花岗岩巷道岩爆声发射主频分布区间为0.4~110 kHz,其中99%以上的主频值集中在35~65 kHz。声发射信号主频的分布随岩爆演化可分为3个阶段:(1)岩爆孕育前期,大部分主频值集中在35~65 kHz和15~25 kHz区间,且有一定数量接近0.4 kHz的低频值出现,极少出现接近110 kHz的高频值;(2)岩爆孕育中期,主频值集中在35~65 kHz区间,接近0.4 kHz的低频值基本消失,少量接近110 kHz的高频值开始出现;(3)岩爆发生阶段,35~65 kHz区间内的主频数量骤减,接近0.4 kHz的低频值极少出现,接近110 kHz的高频值密集出现。研究结果为优选声发射监测频段提供了方法和依据,且对巷道岩爆的监测预警工作具有重要理论意义。

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的"两高两低"特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的"三高一低"特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的"四低"特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的"三高一低"特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。

基于FFT的巷道岩爆红外温度场频域特征实验研究

开展室内花岗岩巷道岩爆模拟实验,利用红外热像技术监测岩爆演化过程中巷道围岩红外辐射温度场变化过程;采用二维数字信号处理方法,对红外辐射温度场矩阵进行快速傅里叶变换,得到红外辐射温度场的二维频谱信号,通过计算红外辐射温度场二维频谱信号,定量描述岩爆过程红外温度场频谱演化特征,得到描述红外温度场频域演化特征的定量指标——红外温度场频域特征系数T。结果表明:特征系数T能够定量描述岩爆过程巷道围岩红外辐射温度场变化特征,在岩爆演化的各个时期呈现出明显的阶段性特征;岩爆平静期,T值在反复波动中小幅度增大;颗粒弹射期,T值小幅度减小;片状剥离和全面岩爆阶段,T值急速增大;岩爆发生前,T值普遍急速增大,并开始出现大于或等于0.2的值,故可将T大于或等于0.2作为岩爆即将发生的前兆信息。

基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究

通过室内实验以及数值模拟研究构造应力对花岗岩巷道岩爆的影响,从可见光图像、声发射、远红外的变化规律入手,分析三者与巷道岩爆的内在联系,揭示巷道岩爆的孕育机制。实验选择的花岗岩岩爆倾向性指数为13.84~18.02,属于中等程度岩爆倾向性岩石。研究结果表明：由于岩石破裂过程中的能量耗散,发生岩爆前均会出现多种物理参数突变现象;岩爆发生前,巷道围岩将出现大范围应力转移和应力集中,岩爆发生时巷道左右以及上下边帮将有岩屑弹出,并且侧压越高,岩爆的烈度越强;岩爆发生前至少出现2次大范围温度跳变,即温度初始异常点与岩爆前兆点;声发射绝对能量b值的跳变和平静期的出现可作为大破裂的前兆信息;经统计分析,这3种监测手段对岩爆的响应敏感顺序为：可见光图像〉远红外〉声发射。由于岩体内部观测的复杂性,采用多种监测手段,建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法,可为岩爆监测提供更准确地预警信息。

基于CT扫描的巷道岩爆洞壁破坏特征实验研究

开展花岗岩巷道岩爆模拟实验,对岩爆后试样进行CT扫描,构建试样的三维空间模型,分析巷道岩爆后洞壁破坏形态,结合试样内部裂纹的几何形态和分布特征,探讨巷道岩爆发展过程及孕育机制。研究结果表明,巷道岩爆后洞壁破坏形态在空间上具有显著的二元性,会形成"V"型与"平底锅"状2种岩爆坑,"V"型岩爆坑窄而深,"平底锅"状岩爆坑宽而浅。岩爆发生位置洞壁出现层裂现象,产生多条与主应力方向近似平行的裂纹,距洞壁距离越远,裂纹长度越短,张拉破裂是其主导的破坏机制;同时岩爆位置附近出现多条与主应力近似垂直的裂纹,这些裂纹的长度比较短,分布在孔洞直径范围内,在孔洞上下超过直径的区域没有发现此类裂纹,其形成机制与剪应力作用有关;与主应力方向平行和垂直的裂纹相互交织、搭接形成圈闭,圈闭内的岩块被弹射后,逐渐形成岩爆坑。板裂屈曲型岩爆孕育发生机制可归纳总结为:板裂化破坏→岩板剪切屈曲断裂→岩块弹射、喷出,板裂化破坏和岩板剪切断裂是岩爆孕育的2个核心过程,分别与张性、剪切破裂有关,张性破裂引发的板裂化破坏为岩爆的发生提供了前期"物质基础",而剪切裂纹的萌生、扩展为岩爆的发生提供了灾变"诱发因子",是诱发岩爆灾害的关键。研究结果为揭示巷道岩爆孕育机制提供了有力证据,丰富和完善了对板裂屈曲型岩爆孕育发生机制的认识。

巷道岩爆过程能量演化特征实验研究

开展双轴加载条件下巷道岩爆声发射监测实验,分析巷道岩爆过程宏观破坏特征,并与现场岩爆发生过程进行对比研究;借助声发射能量参数,分析岩爆宏观破坏过程能量积聚、释放规律及能量的时间效应,重点探讨水平载荷对岩爆过程能量演化规律的影响,进一步从能量的角度揭示巷道岩爆的发生机制。研究结果表明:巷道岩爆存在平静期、颗粒弹射、岩片剥落伴随颗粒弹射、爆裂喷射4个典型阶段特征,但在颗粒弹射、片状剥离现象后会出现"短暂平静期",即巷道岩爆经历了平静期→颗粒弹射→短暂平静期→岩片剥落伴随颗粒弹射→短暂平静期→爆裂喷射的演化过程。巷道岩爆过程平静期对应能量的积聚过程,颗粒弹射、岩片剥离伴随颗粒弹射和剧烈喷射对应能量的释放过程,而"短暂平静期"内能量发生机制与水平载荷有关。一方面,水平载荷增大,岩爆孕育过程积聚的能量显著增加,为岩爆发生提供了足够的动力源;另一方面,水平载荷增大,"短暂平静期"内能量由积聚过程逐渐转变为释放过程,导致颗粒弹射到剧烈喷射阶段能量持续释放,且能量释放速度加快;上述两方面的综合作用致使高水平载荷下岩爆孕育过程聚集的大量能量在短时间内快速释放,从而诱发突发性强、破坏性大的岩爆灾害,同时预测的难度也加大。

圆形巷道两帮水平切槽对围岩卸压的数值分析

处于深部高应力的岩体中储存有大量的弹性应变能,它是引发深部硬岩巷道发生岩爆的内因。卸压法可以用于改变巷道和洞室附近围岩的应力场,使这部分围岩处于应力降低区,从而达到保持其稳定性的目的。本文用岩石破裂过程分析RFPA系统模拟圆形巷道周边开卸压槽前后巷道围岩的变形、损伤与破坏过程,分析了不同原岩应力状态(侧压力系数)和切槽长度条件下围岩的应力和损伤区的分布特征,揭示了围岩中开槽卸压的力学机理。数值模拟结果表明,数值模拟证实了当卸压槽深度为巷道直径的0.5倍左右时,围岩的卸压效果明显,但过长的卸压槽长度会导致整个巷道围岩结构体的承载力降低和变形过大。该项研究对于巷道卸压的工程实践具有一定的理论指导意义。

基于PPRR理论的岩爆应急管理能力评估模型研究

针对深部矿山岩爆应急管理能力评估具有复杂性、模糊性、未确知性的特点,为进一步提升评估的可靠性,建立了基于改进可拓云的综合评价模型。首先,根据PPRR (Prevention, Preparation, Response, Recovery)危机管理理论,结合岩爆事故的特点,构建了多层次的岩爆应急管理能力评价指标体系;其次,借助序关系分析法(G1法)-反熵权法(A-EWM法)和组合赋权法(CW法)确定指标综合权重;引入了盲数理论,建立盲数矩阵对定性指标数据处理,改进了传统可拓云模型专家直观打分的赋权模式,基于可拓云模型原理,通过计算不同等级下的综合云关联度,按照最大隶属度判别要求,综合分析和评估应急管理能力等级。最后,应用所建立的评价模型对3座矿山岩爆应急管理能力进行实例分析,并与模糊数学和随机Petri网(SPN)评价模型结果相比较。结果显示:3座矿山应急能力均为Ⅳ级,与专家现场调研结论相符合,且3种评价模型评估结果基本一致,验证了本模型在岩爆应急管理能力评估方面具有适应性和有效性。该评价模型可以为危机管理能力的量化评估提供一种切实可行、合理有效的方法。

巷道围岩红外温度场特征粗糙度演化过程研究

开展巷道岩爆室内模拟实验,利用红外辐射技术监测岩爆过程巷道围岩红外辐射温度场变化。模拟结果表明,岩爆过程中,巷道围岩红外辐射温度场值具有明显的阶段性演化特征,且在时序上与巷道破坏特征良好对应,可分为红外辐射温度场Ra稳定阶段,红外辐射温度场Ra下降阶段,红外辐射温度场Ra回升阶段,红外辐射温度场Ra激增阶段4个阶段。其中,临近岩爆时Ra值出现了"下降-回升"的特征,这一特征可作为岩爆发生之前红外辐射温度场的特异性前兆,对巷道岩爆预警具有借鉴意义。