初步研究高能和低能微裂缝事件演化特征在开发过程中岩石的失败

文摘

高能和低能微裂缝事件的演化特点发挥重要作用在岩石的脆性破坏机理和合理的微震的(MS)监测、声发射(AE)监测。双峰分布(BMD)模型通常用于观察高能和低能女士事件的演化特征;然而,它的确切机制仍不清楚。高能和低能微裂缝事件的演化特征是评估在这项研究基于弹道导弹防御模型。监测结果女士的22517号工作面Dongjiahe煤矿进行了研究,和AE监测花岗岩标本的双轴压缩试验结果进行了分析。高能女士事件22517号工作面发现增加所产生的失败上覆岩体的规模在退出开采阶段和进入充分挖掘阶段不足。高能AE支安打是积极的变化特征与花岗岩试样裂纹演化特征和Gutenberg-Richter变化呈负相关价值。一个精确的高能和低能AE进化机制的微观结构的基础上,分析了花岗岩标本。异同高能事件和低能AE女士决心基于这些结果。都发现有双峰特征;增加规模被认为是失败的根源高能组件。AE击中远不那么明显的双峰分布比女士的事件。

1。介绍

在研究大型地震的复发在波兰煤矿,Gibowicz和Kijko1)发现的模式经验分布最大的地震比预期更复杂的基于最一般理论考虑(例如,耿贝尔分布)2]。观察到的分布具有双峰分布(BMD)特征,如图1BMD也被观察到的地下煤矿上西里西亚,波兰,在Ostrava-Karvina Doubrava煤矿煤田,捷克斯洛伐克,和卢宾的铜矿矿山铜盆,波兰(1]。地震活动与圣海伦火山的喷发,华盛顿,1980年5月服从的BMD证实的分布特征时期的最大振幅信号和frequency-magnitude关系3]。BMD的另一个突出的例子是发现在新马德里,密苏里州和解释的结果叠加在该地区观察到两种截然不同的成因来源类型(4]。

BMD结果的混合随机变量所产生的两种不同的现象。第一个现象负责低能组件和第二个高能组分的分布。目前,BMD被认为是一个重要的方法,观察高能和低能的演化特征微震的(MS)事件。

尽管许多文学价值的贡献,BMD的确切机制尚不清楚。传统观点认为,至少BMD遵循三个统计分布。首先是提出Stankiewicz [5],他认为,在任何时刻,岩体的状态可以被描述为一个压力,增加线性时间在缺乏地震和下降到某个值间隔如果事件发生。提出的其他两个统计分布Gibowicz和Kijko1]。在第二个统计分布,高,低能耗的地震活动是相互独立的。在第三个统计分布下,高能地震,依赖于低能地震。监控数据这三个统计分布可以很好,但没有完全描述弹道导弹防御机制。

有两个假设,上述两组事件的性质(6]。第一个州BMD是由于非齐次和不连续岩体的结构。第二个州的低能组件分布是矿井压力释放的结果,而高能组件是一个矿井和残余构造应力之间的相互作用的结果。第一个假设是可以接受的在某些矿区和第二个假设,在地质因素中扮演最重要的角色矿山地震的一代。

矿井灾害的预警机制是密切相关的岩石裂缝,和高能和低能微裂缝事件的演化特征进行微震的预警是对岩石的破坏机理具有重要意义7,8]。先前的许多研究人员进行了实验室和现场研究声发射(AE)和监测技术。肖女士领域的监控、et al。9),冯et al。10许,et al。11),和Yu et al。12,13]研究了监测活动和女士之间的关系在隧道岩爆事件;女士可以预测岩爆事件捕获事件开挖过程中产生的岩石。Zhang et al。(2017),王et al。14程,et al。15]研究事件分布和地层女士运动之间的关系由地下开采引起的。曹et al。16,17和李et al。18]调查活动女士和岩爆事件之间的关系来预测可能的岩爆煤矿。陆et al。19和李et al。20.]研究了女士事件的分布和煤气爆发之间的关系在一个煤矿。李等人。7),Zhang et al。21王,et al。14]研究了监测结果女士和突水之间的关系。他们发现,在岩体断裂的区域,这可能形成突水通道,可以根据女士事件的空间分布决定的。

徐et al。22),戴et al。23],Salvoni et al。24)进行监测边坡的开挖期间女士和女士发现地面变形和数据反映了岩石损伤在不同深度以及岩体不稳定的机制。以前的研究也表明,事件的发生密切相关,失败岩体及相关灾害。AE演化特征分析了基于六个主要因素:数量和能源(25- - - - - -27),频率(28,29日),空间位置(30.- - - - - -32)、空间相关长度(33),分形维数(34,35),和矩张量36]。迪克森等。37,38和史密斯39,40)使用AE监测边坡变形和稳定性的预测。这些以前的研究提供一个可行的基础研究高能和低能微裂缝事件的演化特征与弹道导弹防御机制有关。

灵感来自先前的研究结果,在没有进行监控。Dongjiahe煤矿22517工作面在这项研究中。双轴压缩试验与花岗岩也表现在实验室标本。女士监测和实验结果进行了分析,以确定高,低能耗微裂缝事件的演化特征。演化特征之间的关系和各种失败尺度观察确定弹道导弹防御机制。最后,高能事件女士之间的异同和低能AE演化特征确定如下详细讨论。

2。高能和低能AE的演化特征

2.1。实验系统

本研究中使用的双轴压缩试验系统由岩石力学性能测试系统中,一个AE监测系统,和一个观测系统(图2(一个))。实验进行伺服控制岩石试验机(rlw - 3000)。加载应用在水平和垂直方向。最大轴向载荷3000 kN,最大水平荷载是1000 kN,加载力的测量误差小于1%。

AE活动被记录在一个八路PCI-2 AE监测系统(物理声学公司)。的带宽AE采集卡是3 kHz-3 MHz。使用一个R6a传感器具有工作温度在65 - 175摄氏度,大小毫米,35 - 100 kHz的频率范围和中心频率的60 kHz。放大倍数可调至20、40和60 dB在三档。观测系统由CCD高速摄像机,高清视频监控系统和数字视频镜头中可以获得图像裂缝发展和岩石破裂。

测试花岗岩标本在这个实验中是一个立方体边长100毫米和15毫米直径圆形中间打开(图2 (b))。AE监测开始前,水平和垂直载荷逐渐由压力加载到10 kN在装货。垂直负载停止作为水平载荷继续举行了100 kN,不变的伺服控制系统。AE传感器40 dB阈值和采样频率1 MHz的标本被安排在AE监测。加载应用在上面增加从10 kN直到花岗岩标本的失败。底层是禁止在垂直方向上的位移。高速视频的采样频率为100帧每秒。

2.2。实验结果

2.2.1。轴向荷载位移曲线和断裂演化过程

轴向荷载位移曲线如图3。基于双轴压缩荷载位移曲线,三个特征点(A、B和C)。点压实阶段的临界点是弹性变形,点B是临界点从弹性变形到非弹性变形,和C点荷载位移曲线的峰值应力。点,花岗岩试样的轴向加载力等于侧向加载力。李等人。18)表明,当压力增加到峰值荷载值的78.2%,临界裂缝发起在单轴加载条件下的拉伸应力集中区域;类似的结果也达成的钟et al。41]。在之前的研究基础上,轴向加载力在B点确定为80%的双轴加载下的峰值应力。

如图3,轴向力为100.14 kN点,677.29 kN在B点,和846.59 kN点c的比例横向加载力对轴向加载力被定义为侧压力系数。在实验过程中,侧压力系数随着轴向负荷力的增加不断下降。在办公区域,侧压力系数大于1。花岗岩试样的轴向荷载位移曲线显示了压实阶段变形特征。在地区AB,侧压力系数下降从1到0.148和花岗岩试样的轴向荷载位移曲线表现出弹性变形特征。在公元前地区,侧压力系数从0.148下降到0.120,花岗岩试样的轴向荷载位移曲线表现出塑性变形特征。

2.2.2。AE和能量分布特征

的数量和总能量AE打在每一个时间窗口被数的实验,如图4。这两个指标增加直到达到一个峰值大约30多岁,然后下降直到100年代。从100年代到360年代,他们基本上保持不变。点的选择可以在100年代修订;轴向力是15%的峰值应力,130 kN。

如图4,AE的数量变动的方式增加而AE略有下降的总能量从560年代到590年代,是一致的的数量和总能量AE的特点。AE支安打的数量迅速减少,总能量释放的AE击中590年代后迅速增加。B点的选择可以相应地修订在590年代;轴向力是85%的峰值应力,720 kN。

该地区AB可分为三个阶段。在第一阶段(从100年代到360年代)的数量和总能量AE点击量小,相对稳定。在第二阶段(从360年代到510年代)的数量和总能量AE变动的方式增加。在第三阶段(从510年代到590年代),AE支安打的数量变动的方式增加的总能量AE略有下降。公元前地区扩展从590年代到699年代。高et al。42,43)进行了类似的实验获得类似的应力-应变曲线和AE的生成特点,证实了这些实验结果的可重复性。

Ai et al。(2011)研究了AE的时空演化位置在三轴压缩下发现的数量和能量释放的AE击中第一增加然后减少轴向应力达到围压值。这就是所谓的”AE的围压效应”。的数量和总能量的峰值AE支安打在营运阶段还应该归功于围压。

2.3。高能和低能AE的演化特征

2.3.1。高能和低能AE的定义

(1)对数平均能量演化特征的AE。十秒被选为一个时间窗口和AEL计算分析AE打击能量演化的岩石标本失败的过程。AEL与时间的变化曲线在双轴压缩试验如图5。这条曲线可以分为三个阶段。在第一阶段(从0年代到360年代,对应于该地区地区OA和第一阶段AB), AEL波动在3.75。在第二阶段(从360年代到590年代,对应于第二和第三阶段在该地区AB), AEL波动,趋势向上。在第三阶段(从590年代到705年代,对应于该地区BC), AEL开始迅速增加从4到8.23。平均能量对应于一个给定的AE在时间窗口增加一些波动在360年代和590年代后显著增加。

(2)能量分布演化特征的AE。AE支安打的能量分布演化特征进行了分析,如图6。如图7,AE的密度与AE能量遵循毛刺分布的对数从0年代到670年代。然而,它没有遵守毛刺分布从670年代到705年代。毛刺分布的密度函数可以表示如下: 在哪里是一个尺度参数,是一个参数的不平等,是能量的对数,是一个形状参数。

密度按照AE能量分布创下的峰值增加aJ,aJ 0年代和670年代之间。尽管AE支安打和对数AE能量的密度不遵守毛刺分布从670年代到700年代,峰值密度增加aJ,aJ。AE的能量范围从aJ,在490年代之前aJ(对应于该地区OA和第一/第二阶段在该地区AB)。490年代后(对应于第三阶段在该地区AB和该地区BC), AE与能量比aJ开始出现,然后增加比例随着加载时间的进行。AEL进化特征密切相关的AE数支安打与能量比aJ。

(3)裂缝花岗岩标本的演化特征。裂缝的发展在双轴压缩试验如图8。如图8477年代之前,没有观察到明显的微裂隙。在477年代和587年代之间,微裂隙的出现和发展沿着飞机主要结构(例如,接口之间的基质和斑晶)但没有相互联系(图6)。在587年代,这些微裂隙扩展到拉伸裂缝(PTC),远程裂缝(RC)和剪切裂缝(SC)在圆形开孔周围的应力集中造成的。SC的不断扩大,逐渐与RC和PTC加载时间,同样观察到的Dzik et al。44),马丁et al。45朱,et al。46]。

通过对比能量分布演化特征的AE支安打,裂纹的演化特征,AE点击率的增加与能量aJ被发现归因于微裂隙的演化和成长和花岗岩试件的裂缝。因此,AE支安打 aJ”指的是那些“低能AE打击”aJ“高能AE。”

2.3.2。高能和低能AE的进化

(1)高能和低能AE的演化特征。AE撞击的能量分布如图的实验9(一个)。AE点击量的能量主要分布在低能范围实验。高能AE的能量分布如图9 (b)。有高收入少于低能量冲击,但仍有一些做后期的实验。

AE能量从aJ,aJ选择分析低能冲击实验期间演化特征;点击从aJ,aJ选择分析高能实验期间达到演化特征。如图10 (),低能量的能量演化特征AE大约是一样的AE。如图8(b),能量演化特征的高能AE点击率很低能量的不同,可以分为三个阶段:在第一加载阶段基本上可以忽略不计(360年代之前),在第二次加载阶段略有增加(从360年代到490年代),并迅速增加在第三加载阶段(490年代)。

AE支安打的分布和能源监测在实验中主要是依赖于低能AE支安打。也有一些相似的演化特征高能AE支安打,打击AEL演化特征;增加数量的高能AE是AEL增加的根本原因。高能AE支安打的演化特征与演化特征也在关闭协议裂缝的花岗岩标本。

(2)高能和低能AE支安打的进化机制。实验中使用的花岗岩标本斑状结构,由两个不同大小的颗粒。大颗粒(或“本文”)分散在小颗粒(基质)。基质是由微晶、微晶、隐晶质或玻璃材料。在当地,有几个密集,本文试图互联。本文框架及其接口构成的花岗岩标本。本文的直径范围从1毫米到5毫米,而基质的颗粒小于1毫米。高能和低能AE支安打的进化机制可以概括为每花岗岩试样的微观结构演化特征的裂缝花岗岩标本,高能和低能AE的进化机制。

在加载过程的早期阶段(490年代之前,对应于该地区OA和第一/第二阶段在该地区AB),低能AE打造成失败的小基质发生在花岗岩标本。尽管石基失败对花岗岩试样的破坏影响很小,这导致了应力集中在标本的框架(没有失败在这个阶段)。随着荷载增加,斑晶间的接口斑晶或基质失败,产生高能AE事件。加载过程的花岗岩标本进入midstage此时(从490年代到590年代,对应第三阶段在该地区AB),在低能AE支安打的数量远远高于高能AE。

随着失败的接口数量的持续增加,应力转移到本文花岗岩标本和使他们失败与高能AE事件的出现。失败的接口和本文试图破坏了花岗岩标本。一旦积累了一定量的伤害,花岗岩标本进入后期的加载过程(从590年代到705年代,对应于该地区BC)。本文试图在标本失败并迅速渗透的主要结构的飞机,最终导致整个标本的失败和不稳定。数量的迅速增加高能AE支安打(仍然相对较少的低能量冲击)是一个重要指标,这个阶段已经开始。高能和低能AE的进化机制解释了这一现象,接近失败AE数据作为初始输入到AE数据驱动的模型来模拟岩石破裂过程,更好的模型预测失败的是魏et al。47]。

(3)进化机制和Gutenberg-Richter b值之间的关系。的Gutenberg-Richter在加载值的计算过程。十秒被选为一个时间窗口的代表整个双轴压缩试验。的值在每次窗口中计算确定其随时间变化如图11。的490年代之前价值波动约0.83(对应于该地区OA和第一/第二阶段在该地区AB)和减少略从490年代到590年代(对应于第三阶段在该地区AB), 590年代之后迅速下降(对应于公元前地区)。在490年代,轴向加载力增加到72%的峰值载荷值。在590年代,轴向加载力增加到85%的峰值荷载值(在轴向荷载位移曲线对应点C)。

高能AE达到演化特征Gutenberg-Richter成反比花岗岩试样在加载过程中。低能耗的增加AE袭击没有造成Gutenberg-Richter值改变,但是高能冲击的增加造成了Gutenberg-Richter值降低。一个更大的值下降速度创造了更大的提高高能AE命中率。这进一步验证了高和低能耗的AE上面提到的进化机制。

3所示。高能和低能女士事件演化特征

3.1。工程地质和监控系统

女士一般Dongjiahe煤矿地质信息和监控系统在这项研究中的应用是在之前的发布程et al。15]。简单地说,Dongjiahe煤矿位于中国西北部。号22517工作面是一个典型的前进式开采面临的长度为1217米,宽185米,从东到西下降。工作面倾角的大约是3°,这使得近水平。明挖位于1217米和采矿停止线,海拔100米。的煤层工作面不同厚度从2.5米到4.1米,平均厚度3.3米。22517号工作面的原理示意图如图12。发展计划的22517号工作面在桌子上1。

根据22517号(图的钻柱状图13),工作面周围的岩体地层,根据从旧到新形成的年龄,如下:系统中奥陶世,峰峰形成;上石炭系太原组;低二叠系山西形成;较低的二叠纪系统,综合形成;和四元系统土壤表土。

检波器接收灵敏度为43.3 V / m / s在女士采用监控系统用于这项研究。地震检波器的响应频率范围从15到1000赫兹。检波器放置方案详细给出女士监控程et al。15]。盖革位置方法来定位女士纵波速度估计为2800 m / s,横波速度1800米/秒基于人工爆破测试。环境、社会和治理微地震监测系统用于信号采集,包括骑士地下数字信号采集系统,亥伯龙神表面数字信号处理系统,和MMVTS-3D可视化软件。该系统可以实时监测持续24小时。等震源参数时空坐标、错误大小,微震事件和能量。收集到的数据可以被过滤,完整的源波形和频谱分析图表信息可以提供。与此同时,它可以自动识别微震的事件和消除噪声事件的类型,通过过滤、检测阈值设置和带宽。

3.2。高能和低能女士事件的演化特征

基本监测结果在前面的女士出版由程et al。15]。能源和力矩的大小事件女士在采矿活动引起的煤层在此基础上分析了信息;结果如图所示14。如数据所示(14日)和14 (b),能量分布和女士的矩震级分布事件符合BMD在这种情况下。低能量的能量小于158.5 J女士事件,当高能事件女士的能量大于158.5 J(图(14日))。低能女士事件的时刻是小于-0.1,而女士高能事件的能量大于-0.1(图14 (b))。

对数平均能量(AEL)被定义为进一步分析高和低能量的区别女士事件的组件。AEL是总能量的比值的对数女士所有事件的数量在一天内(公式(2))。其物理意义对应的平均能量女士事件在某一天。AEL与时间的曲线在图给出14 (c),AEL主要变化在0.5和2.0之间从11月25日,2014年2月25日,2015年,从2月25日在2.8和4.1之间,2015年10月10日,2015年。高能女士事件组件似乎2月25日之后迅速增加。 在哪里对数平均能量,一天是女士事件的数量,然后呢是女士事件的能量的总和。

程等。15]介绍了时间,地点,和能源相关的女士事件演化特征的屋顶Dongjiahe煤矿。根据监测结果,添加新事件女士每月掉进矿业的脸背后的地区从30米到220米在矿业面前沿水平方向和在该地区海拔500 + 320 +沿垂直方向后3月6日,201515]。大多数添加新事件女士每月都集中在煤柱支撑区,沿着水平方向的支持和分层作用区,从破碎带的顶部和底部的连续区域沿垂直方向。基于概念模型提出的钱等。48),岩体的失败或已失败区附近这些新的月度女士事件发生。2月25日,2015年,工作面先进360米(大约两倍的宽度工作面)从打开的减少停线。

女士监测数据表明,工作面在开采阶段(不足的阶段,只有崩溃区形成但断裂带不是形成于岩石破裂的过程;地层的最大沉降值继续增加)在2月25日之前,采矿引起的破裂带的高度没有开发到最终身高。2月25日之后,工作面在充分挖掘阶段(在这个阶段,采空区的规模足够大,地层的最大沉降值不会增加)和断裂带发展到最后的高度。因此,高能女士事件发生在2月25日开始,因为失败上覆岩体的规模增加了在工作面进入充分开采阶段。

4所示。讨论

有一些相似之处高能女士事件的演化特征和低能AE。都有双峰特征,可分为高能和低能组件。增加失败的根本原因是规模增加高能组件。还有一个明显的区别:AE击中远不那么明显的双峰分布比女士的事件。有两个潜在的原因。

第一个原因涉及不同的监测设备。R6a传感器的频率范围在AE监测系统从35千赫到100千赫,检波器的女士监控系统从15赫兹到1000赫兹。AE监测系统的带宽远远大于女士的监测系统。此外,AE监测系统监测对象的规模远小于女士监控系统的监控对象。因此,AE监测系统用于检测AE事件造成的全面的微裂隙的岩石标本实验期间,女士女士监测系统不能检测到事件引起的小型微裂隙、低能女士事件的主要组件。

第二个原因涉及不同的监测对象。在这项研究中,AE监测系统的对象是一个花岗岩标本虽然女士的监控系统是砂岩、泥岩。花岗岩是一种火成岩;砂岩和泥岩沉积。火成岩材料的成岩作用不同于沉积岩的材料,所以有实质性差异花岗岩和砂岩和泥岩的微观结构。岩石标本用于实验室设计没有考虑结构面,虽然原位岩体中含有大量的原始结构的飞机。这些因素都让AE支安打的BMD明显低于女士的事件。

5。结论

微震的声发射监测总是进行工程岩体和实验岩石的演化特征和高能和低能事件发生在岩石的变形具有启发意义优化监控和了解失败的机制。在这项研究中,结合花岗岩标本双轴压缩试验的监测结果女士Dongjiahe煤矿22517工作面,微震事件的演化特征的基础上,分析了双峰分布(BMD)模型,并得到了以下结论:(1)22517号的监测结果女士Dongjiahe煤矿工作面显示单峰能源和矩震级分布从11月25日,2014年2月25日,2015;分布的双峰从2月25日,2015年,10月10日,2015年。高能事件生成的女士由于增加失败的规模上覆岩体一旦工作面进入充分挖掘阶段挖掘不足的阶段(2)双轴压缩实验花岗岩标本上观察各种特征的低收入和高能AE。整个加载过程分为三个阶段。在第一次加载阶段,只有低能AE发生。在第二加载阶段,高能AE点击开始出现,慢慢地变得更加普遍。加载在第三阶段,高能AE支安打的数量迅速增加,直到试样失败了。比高能低能AE打击更常见AE支安打在整个加载过程中,但是高能冲击出现的变化特征与裂缝的发展呈正相关的花岗岩标本与Gutenberg-Richter变化呈负相关价值。高能和低能AE演化机制是这里定义基于花岗岩试样的微观结构(3)本文讨论了高能的进化之间的相似点和不同点事件和低能AE女士。被发现具有双峰特征和可分为高能和低能组件。增加失败的根本原因是规模增加观察高能组件。AE打得不那么明显的双峰分布比女士的事件,这可能是由于不同的监控设备和监控对象

数据可用性

至于数据可用性的声明,部分或全部数据,生成模型或代码或使用期间的研究可从相应的作者请求(列表项)。

的利益冲突

无利益冲突出口提交的手稿。

作者的贡献

批准所有作者出版的手稿。

确认

我们感谢陕西煤炭和化学技术研究所有限公司有限公司审批我们的出版物,人事Dongjiahe煤矿。我们感谢大连理工大学为促进我们的项目和人员的国家重点实验室在大连理工大学海岸和近海工程。这个项目是由美国国家科学基金会的中国(批准号。51909032,51627804,和U1710253)和安徽省科技部门(2008085 me145和2008085号)。

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