开采动力灾害与区域应力场之间的协同机制与响应特征研究

发布时间：2017-09-08 02:12

  本文关键词：开采动力灾害与区域应力场之间的协同机制与响应特征研究

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【摘要】：开采诱发动力灾害与区域应力场之间存在着密切相关关系。动态分析开采扰动过程中灾害危险性的时空演化过程,获取区域应力场的变化规律和响应特征,是揭示灾害孕育、诱发机理,实现事前预警的重要途径。为了揭示开采扰动作用与井田区域应力场的协同机制,建立区域应力、潮期应力、开采扰动作用与动力灾害之间的定量关系,在地质动力区划的基础上,对开采扰动作用下动力灾害危险性的区域预测与动态评价、区域潮汐应力变化规律及其对不同类型、不同规模矿震的触发作用、动力灾害灾源体结构及其与周边区域应力环境之间的协同机制和定量关系等问题进行了探讨。开采扰动过程中,诱发动力灾害的条件时刻都在发生变化,因此,诱发灾害的危险性也在发生变化。为了定量分析开采过程中动力灾害各种致灾因子的时空演化规律及其对诱发灾害危险性的影响,在地质动力区划的基础上,提出并建立了冲击危险性、冲击势等概念,并以实验为基础,建立了冲击危险性的应力评价指标,该指标能够反映三维应力状态下岩石破接近极限破坏强度的程度,实现了开采扰动作用下动力灾害危险性的区域预测与动态评价。开采动力灾害发生,除了与地质和开采相关的触发因素密切相关外,也受固体潮活动的影响。为了定量分析固体潮作用与矿震诱发之间的相关性,以甘肃省华亭县华亭矿区的矿震监测为基础,分析了当地应变固体潮垂直、东西、南北、水平剪应力分量的日潮变化与矿震震级、矿震类型之间的相关性。研究表明,固体潮汐应力作为一种附加作用力,对矿震的发生存在显著触发作用。潮汐应力对不同类型矿震的触发力学作用不同,对于重力控制型矿震,潮汐应力垂直分量最大、水平分量最小时矿震最易发生；而构造应力控制矿震的多发时刻与之相反。开采动力灾害孕育及发生,是在灾源岩体与周边相关区域地层中应力场协同作用下完成的。为定量分析开采诱发灾害所引起的的区域应力效应,建立了区域构造条件、开采工程特征与灾源体之间的理论关系,并在华亭矿区建立了针对动力灾害监测的钻孔应变观测系统,成功观测到了矿区内较大规模矿震事件和近期发生的若干次天然地震的钻孔应变响应。研究发现,较大规模的矿震,其孕育及诱发过程所涉及的地层尺度要远远大于传统的采场和采动影响范围,震源与“相关区域”应力场之间存在着显著的相关性；矿震在周边相关区域引发的钻孔应变同震响应呈“阶跃”和“振荡”两种模式；矿震规模和观测点距震源距离的不同,钻孔应变呈现出的响应模式不同,灾源体与相关区域之问存在着“链式”相关机制。钻孔应变观测受安装环境和固体潮趋势背景等因素的干扰,造成区域应力场中微弱的异常变化被掩盖。为从钻孔应变实测数据中准确提取灾害相关特征,提出并建立了分形维数、群子统计、应变速率等信号分析与计算方法,分析了相关区域内岩体的形变异常的不同形态,判断灾害的孕育状态。研究表明,钻孔应变时程曲线的分形盒维数的“升高→降低”变化、群子统计的复合特征参量出现突增等活跃变化、应变比速率出现“0→正→0→负→0”的变化,可以认为是冲击地压前兆信息的反映。论文的探索研究,初步验证了矿震与区域构造应力环境的相关性,以及通过开采扰动的区域应力、应变效应观测来探索矿震孕育机理的可行性,如果同时获得矿震、冲击地压等灾害的灾源尺度、孕育的“相关区域尺度”、应变(应力)响应及相关特征参数,则有望建立开采动力灾害与区域应力场之间的协同量化机制,实现灾害的定量预测。
【关键词】：开采动力灾害 危险性分析 触发机理 区域应力效应 响应模式
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD324
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-14
• 2 绪论14-36
• 2.1 研究背景14-19
• 2.1.1 研究意义14
• 2.1.2 问题的提出14-19
• 2.2 矿震、冲击地压等开采动力灾害研究进展综述19-34
• 2.2.1 国内外矿震研究进展19-26
• 2.2.2 国内外冲击地压研究进展26-33
• 2.2.3 矿震与冲击地压的关系33-34
• 2.3 研究内容及技术路线34-36
• 2.3.1 研究内容34-35
• 2.3.2 技术路线35-36
• 3 基于应力状态演化的冲击危险性分析技术36-60
• 3.1 冲击危险性概念36-38
• 3.2 深部地层初始应力场特征38-40
• 3.2.1 地球重力场形成的应力场38-39
• 3.2.2 构造应力场主应力方向39
• 3.2.3 地应力场的地质动力特征39-40
• 3.3 基于应力状态的冲击危险性评价方法40-48
• 3.3.1 三维应力状态评价指标的建立分析40-43
• 3.3.2 应力状态评价指标的三轴试验研究43-47
• 3.3.3 基于应力状态的岩体稳定性危险等级划分47-48
• 3.4 基于应力场时空变化的冲击危险性分析技术48-59
• 3.4.1 华亭煤田区域地质背景分析48-49
• 3.4.2 原始地应力场测量49-52
• 3.4.3 华亭煤田区域地应力场反演52-54
• 3.4.4 华亭煤田应力场、能量场及地质动力特征54-55
• 3.4.5 基于华亭煤田底板应力状态的冲击危险区域评价55-58
• 3.4.6 冲击危险性时空演化过程讨论58-59
• 3.5 本章小结59-60
• 4 区域固体潮汐应力与矿震诱发之间的相关性及触发作用机理60-78
• 4.1 地球固体潮汐应力理论60-61
• 4.2 矿震的固体潮触发效应统计分析方法61-62
• 4.3 华亭煤田地区矿震的固体潮触发效应分析62-66
• 4.3.1 华亭煤田矿震活动背景分析62-64
• 4.3.2 潮汐作用与顶板型矿震活动之间的相关性分析64-65
• 4.3.3 潮汐作用与底板型矿震活动之间的相关性分析65-66
• 4.4 固体潮触发作用与矿震规模的关系分析66-73
• 4.4.1 不同震级的顶板型矿震的固体潮触发效应分析66-70
• 4.4.2 不同震级的底板型矿震的固体潮触发效应分析70-73
• 4.5 潮汐应力矿震的触发作用机理分析73-76
• 4.5.1 潮汐应力的作用模式73-75
• 4.5.2 潮汐应力对顶板型矿震的触发作用75
• 4.5.3 潮汐应力对底板型矿震的作用75-76
• 4.6. 矿震过程对当地固体潮活动的影响76-77
• 4.7. 本章小结77-78
• 5 开采动力灾害的区域应变效应观测与分析方法研究78-96
• 5.1 开采扰动效应与区域应力场之间的相关性与协同机制分析78-80
• 5.2 华亭矿区区域应力(应变)效应观测的地质及工程背景分析80-82
• 5.3 钻孔应变观测技术82-84
• 5.4 钻孔应变观测数据时间序列的分析方法研究84-95
• 5.4.1 分形特征分析方法84-87
• 5.4.2 群子统计理论分析方法87-91
• 5.4.3 应变速率时程变化分析方法91-95
• 5.5 本章小结95-96
• 6 开采动力灾害的区域应变效应及灾害相关特征分析96-114
• 6.1 矿震诱发时的区域应变响应模式及其与矿震特征之间的关系96-101
• 6.1.1 矿震及天然地震的区域应变同震响应模式97-100
• 6.1.2 矿震的区域应变响应模式与矿震特征关系100-101
• 6.2 基于钻孔应变数据时程变化的灾害特征提取分析101-108
• 6.2.1 分形盒维数特征分析101-104
• 6.2.2 群子统计特征参量分析104-106
• 6.2.3 应变速率特征分析106-108
• 6.3 开采动力灾害的前兆特征分析108-112
• 6.3.1 开采动力灾害前兆力学机理与盒维数特征分析108-109
• 6.3.2 基于岩层形变趋势演化的灾害孕育及前兆特征分析109-112
• 6.4 本章小结112-114
• 7 结论114-117
• 7.1 主要结论114-115
• 7.2 创新点115-116
• 7.3 展望116-117
• 参考文献117-130
• 作者简历及在学研究成果130-135
• 学位论文数据集135

【参考文献】

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1 何满潮;深部的概念体系及工程评价指标[J];岩石力学与工程学报;2005年16期

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本文编号：811259