钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法

本发明涉及隧道岩爆微震监测，尤其涉及一种钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法。

背景技术：

1、岩爆是在开挖或者外界扰动下，地下工程岩体内部聚集的弹性能突然释放，到时围岩发生破裂、弹射的动力现象，并具有很强的突发性、随机性和危害性。根据岩爆孕育机制，岩爆类型可以划分为应变型岩爆、应变-结构面滑移型岩爆和断裂型岩爆。不同岩爆类型的孕育机理、破裂机制和破坏规模存在有较大差异，其中应变-结构面滑移型岩爆在深埋隧道中发生次数多，影响区域较大、破坏力强，其至可能引发诱发连续性的岩爆。因此有必要针对应变-结构面滑移型岩爆开展相应的岩爆预警，而研究应变-结构面滑移型岩爆破坏机制是开展岩爆预警的首要前提。

2、微震监测技术目前在多个国家矿山、地下实验室、边坡、隧道等工程安全性监测中进行了广泛应用，取得了一系列研究成果。微震监测技术是利用在空间上不同方位布设的微震传感器，捕捉岩体产生微破裂过程所发出的地震波信息，对其加以分析、处理后确定微震事件发生的时间、位置、震级大小及能量释放等信息，以此为基础推断岩体内部应力状态、破坏情况，进而对岩体稳定性进行评估预警。

3、深埋钻爆法隧道岩爆是一种复杂的地质灾害，其破坏机制一直是工程界和学术界研究的热点。现有的研究主要集中在岩爆的类型、成因、预测和防治等方面，而对于深埋隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制的分析方法，尚缺乏深入的研究。

4、此外，针对目前潜在发生的应变-结构面滑移型岩爆类型，专家学者们更多的是通过前期地质勘察结果或已揭露现场地质信息进行预判，再进行破坏机制分析，由于上述信息有限，且现场地质调查结果显示结构面滑移可能尚未揭露，因此无法及时预判岩爆破坏机制，造成应变-结构面滑移型岩爆预警结果不准，预警时间滞后。综上所述，针对应变-结构面滑移型岩爆破坏机制的研究，当前尚未建立相应且具体分析方法。

5、因此，通过微震监测技术在深埋钻爆法隧道施工的应用，对已发生的应变-结构面滑移型岩爆微震活动信息进行分析，确认岩爆微震预警区域，因此有必要提出一套系统分析岩体在复杂应力条件下破坏机制的方法，用于判别岩体破坏过程中张拉与剪切作用各自发挥的作用，综合分析应变-结构面滑移型岩爆的破坏机制。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法；解决深埋钻爆法隧道开挖过程中应变-结构面滑移型岩爆难以预警的问题，通过微震活动规律和结构面产状数量的分析，得到深埋钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制，为深埋硬岩隧道灾害的准确预测预报奠定基础。

2、一种钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：基于工程地质条件、应力条件和外界扰动条件，划分应变-结构面滑移型岩爆风险区，在岩爆风险区开展微震监测工作，确定岩爆预警区域；

4、所述应变-结构面滑移型岩爆风险区的工程地质条件为结构面发育的，隧道切向应力与结构面走向水平或小于设定角度相交，外界扰动条件为爆破动力扰动，应变-结构面滑移型岩爆风险区有扰动源；

5、所述岩爆预警区域是通过对隧道内岩爆风险区的空间分布研究确定的；岩爆预警区域包括：掌子面前方和后方的微震事件分布范围，垂直于隧洞轴线左右两侧的微震事件分布范围以及垂直于隧洞轴线上方和下方的微震事件分布范围；

6、步骤s2：通过对已发生的应变-结构面滑移型岩爆的结构面产状和数量进行分析；

7、应变-结构面滑移型岩爆的结构面产状包括结构面的倾向和倾角反映，应变-结构面滑移型岩爆的结构面数量由结构面综合指标反映表达。

8、所述综合指标根据以下公式计算：

9、lp＝(l1+l2+l3+.......ln)/a

10、其中，lp表示结构面综合指标，a表示一个视窗的面积，ln表示视窗内的n个结构面。

11、步骤s3：对岩爆预警区域内的微震监测信息进行采集并处理，包括数据清洗、波形识别、到时拾取、格式转换；

12、所述微震监测信息包括：微震事件空间分布特征、微震能量演化规律、岩爆孕育过程累积能量释放率和岩爆孕育过程动态应力降演化特征和应变-结构面滑移型岩爆不同阶段岩石破裂类型演化；

13、其中所述微震事件空间分布特征根据微震监测数据采集处理得到；

14、步骤s4：将s2和s3得到的应变-结构面滑移型岩爆结构面产状和数量，及微震监测信息进行综合分析，得到结构面产状和数量规律及微震活动特征规律，结合应变-结构面滑移型岩爆破裂机制进行分析。

15、通过提取微震监测信息，获得地震矩频率域的拐角频率，震源附近剪切波速度参数，计算动态应力降，得到动态应力降演化特征规律，计算公式为：

16、

17、其中，δσ表示动态应力降，m0表示地震矩，fc表示频率域的拐角频率，β表示震源剪切波速度，k表示拐角频率fc和震源破裂半径r的关系。

18、对微震监测信息进行二次处理，评价破裂类型，具体由纵波p波发育度获得，p波发育度pd定义如下：

19、

20、其中，n为微震事件触发的传感器数量；为触发的第i个传感器中记录的p波第一次运动的振幅；为触发的第i个传感器中记录的波形中最大振幅。

21、步骤s5：依据p波发育度，结合现场和电镜扫描，综合分析破裂类型的判断标准如下：

22、

23、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

24、本发明提供一种深埋钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，本发明解决深埋钻爆法隧道开挖过程中应变-结构面滑移型岩爆难以预警的问题，通过微震活动规律和结构面产状数量的分析，得到深埋钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制，为深埋硬岩隧道灾害的准确预测预报奠定基础，为应变-结构面滑移型岩爆预警和防控提供科学依据，具有重要的工程实用价值。

技术特征：

1.一种钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，步骤s1中所述应变-结构面滑移型岩爆风险区的工程地质条件为结构面发育的，隧道切向应力与结构面走向水平或小于设定角度相交，外界扰动条件为爆破动力扰动，应变-结构面滑移型岩爆风险区有扰动源。

3.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，步骤s1中所述岩爆预警区域是通过对隧道内岩爆风险区的空间分布研究确定的；岩爆预警区域包括：掌子面前方和后方的微震事件分布范围，垂直于隧洞轴线左右两侧的微震事件分布范围以及垂直于隧洞轴线上方和下方的微震事件分布范围。

4.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，步骤s2具体为：

5.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，步骤s3中所述微震监测信息包括：微震事件空间分布特征、微震能量演化规律、岩爆孕育过程累积能量释放率和岩爆孕育过程动态应力降演化特征和应变-结构面滑移型岩爆不同阶段岩石破裂类型演化；其中微震事件空间分布特征根据微震监测数据采集处理得到。

6.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：

7.根据权利要求1所述的钻爆法隧道应变-结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，其特征在于，步骤s5中所述破裂类型的判断标准如下：

技术总结
本发明提供一种钻爆法隧道应变‑结构面滑移型岩爆破坏机制分析方法，涉及隧道岩爆微震监测技术领域，本发明通过收集隧道施工过程中的应变‑结构面滑移型岩爆微震数据，结合工程地质勘测资料，对隧道已发生的应变‑结构面滑移型岩爆进行微震监测和数据分析，划分应变‑结构面滑移型岩爆风险区，并确定岩爆微震预警区域，通过这些数据，深入了解深埋钻爆法隧道应变‑结构面滑移型岩爆微震活动规律，判别岩石破坏过程中张拉与剪切各自发挥的作用，综合分析应变‑结构面滑移型岩爆的破坏机制，进一步得出深埋钻爆法隧道应变‑结构面滑移型岩爆破坏机制，为预测和防止岩爆灾害提供重要的理论依据。

技术研发人员：何本国,王雷,冯夏庭,李红普,张恒源,孟祥瑞,胡磊,姚志斌
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24