本文關(guān)鍵詞：開采動力災(zāi)害與區(qū)域應(yīng)力場之間的協(xié)同機(jī)制與響應(yīng)特征研究

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【摘要】：開采誘發(fā)動力災(zāi)害與區(qū)域應(yīng)力場之間存在著密切相關(guān)關(guān)系。動態(tài)分析開采擾動過程中災(zāi)害危險性的時空演化過程,獲取區(qū)域應(yīng)力場的變化規(guī)律和響應(yīng)特征,是揭示災(zāi)害孕育、誘發(fā)機(jī)理,實現(xiàn)事前預(yù)警的重要途徑。為了揭示開采擾動作用與井田區(qū)域應(yīng)力場的協(xié)同機(jī)制,建立區(qū)域應(yīng)力、潮期應(yīng)力、開采擾動作用與動力災(zāi)害之間的定量關(guān)系,在地質(zhì)動力區(qū)劃的基礎(chǔ)上,對開采擾動作用下動力災(zāi)害危險性的區(qū)域預(yù)測與動態(tài)評價、區(qū)域潮汐應(yīng)力變化規(guī)律及其對不同類型、不同規(guī)模礦震的觸發(fā)作用、動力災(zāi)害災(zāi)源體結(jié)構(gòu)及其與周邊區(qū)域應(yīng)力環(huán)境之間的協(xié)同機(jī)制和定量關(guān)系等問題進(jìn)行了探討。開采擾動過程中,誘發(fā)動力災(zāi)害的條件時刻都在發(fā)生變化,因此,誘發(fā)災(zāi)害的危險性也在發(fā)生變化。為了定量分析開采過程中動力災(zāi)害各種致災(zāi)因子的時空演化規(guī)律及其對誘發(fā)災(zāi)害危險性的影響,在地質(zhì)動力區(qū)劃的基礎(chǔ)上,提出并建立了沖擊危險性、沖擊勢等概念,并以實驗為基礎(chǔ),建立了沖擊危險性的應(yīng)力評價指標(biāo),該指標(biāo)能夠反映三維應(yīng)力狀態(tài)下巖石破接近極限破壞強(qiáng)度的程度,實現(xiàn)了開采擾動作用下動力災(zāi)害危險性的區(qū)域預(yù)測與動態(tài)評價。開采動力災(zāi)害發(fā)生,除了與地質(zhì)和開采相關(guān)的觸發(fā)因素密切相關(guān)外,也受固體潮活動的影響。為了定量分析固體潮作用與礦震誘發(fā)之間的相關(guān)性,以甘肅省華亭縣華亭礦區(qū)的礦震監(jiān)測為基礎(chǔ),分析了當(dāng)?shù)貞?yīng)變固體潮垂直、東西、南北、水平剪應(yīng)力分量的日潮變化與礦震震級、礦震類型之間的相關(guān)性。研究表明,固體潮汐應(yīng)力作為一種附加作用力,對礦震的發(fā)生存在顯著觸發(fā)作用。潮汐應(yīng)力對不同類型礦震的觸發(fā)力學(xué)作用不同,對于重力控制型礦震,潮汐應(yīng)力垂直分量最大、水平分量最小時礦震最易發(fā)生；而構(gòu)造應(yīng)力控制礦震的多發(fā)時刻與之相反。開采動力災(zāi)害孕育及發(fā)生,是在災(zāi)源巖體與周邊相關(guān)區(qū)域地層中應(yīng)力場協(xié)同作用下完成的。為定量分析開采誘發(fā)災(zāi)害所引起的的區(qū)域應(yīng)力效應(yīng),建立了區(qū)域構(gòu)造條件、開采工程特征與災(zāi)源體之間的理論關(guān)系,并在華亭礦區(qū)建立了針對動力災(zāi)害監(jiān)測的鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng),成功觀測到了礦區(qū)內(nèi)較大規(guī)模礦震事件和近期發(fā)生的若干次天然地震的鉆孔應(yīng)變響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),較大規(guī)模的礦震,其孕育及誘發(fā)過程所涉及的地層尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的采場和采動影響范圍,震源與“相關(guān)區(qū)域”應(yīng)力場之間存在著顯著的相關(guān)性；礦震在周邊相關(guān)區(qū)域引發(fā)的鉆孔應(yīng)變同震響應(yīng)呈“階躍”和“振蕩”兩種模式；礦震規(guī)模和觀測點(diǎn)距震源距離的不同,鉆孔應(yīng)變呈現(xiàn)出的響應(yīng)模式不同,災(zāi)源體與相關(guān)區(qū)域之問存在著“鏈?zhǔn)健毕嚓P(guān)機(jī)制。鉆孔應(yīng)變觀測受安裝環(huán)境和固體潮趨勢背景等因素的干擾,造成區(qū)域應(yīng)力場中微弱的異常變化被掩蓋。為從鉆孔應(yīng)變實測數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取災(zāi)害相關(guān)特征,提出并建立了分形維數(shù)、群子統(tǒng)計、應(yīng)變速率等信號分析與計算方法,分析了相關(guān)區(qū)域內(nèi)巖體的形變異常的不同形態(tài),判斷災(zāi)害的孕育狀態(tài)。研究表明,鉆孔應(yīng)變時程曲線的分形盒維數(shù)的“升高→降低”變化、群子統(tǒng)計的復(fù)合特征參量出現(xiàn)突增等活躍變化、應(yīng)變比速率出現(xiàn)“0→正→0→負(fù)→0”的變化,可以認(rèn)為是沖擊地壓前兆信息的反映。論文的探索研究,初步驗證了礦震與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境的相關(guān)性,以及通過開采擾動的區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)觀測來探索礦震孕育機(jī)理的可行性,如果同時獲得礦震、沖擊地壓等災(zāi)害的災(zāi)源尺度、孕育的“相關(guān)區(qū)域尺度”、應(yīng)變(應(yīng)力)響應(yīng)及相關(guān)特征參數(shù),則有望建立開采動力災(zāi)害與區(qū)域應(yīng)力場之間的協(xié)同量化機(jī)制,實現(xiàn)災(zāi)害的定量預(yù)測。
【關(guān)鍵詞】：開采動力災(zāi)害 危險性分析 觸發(fā)機(jī)理 區(qū)域應(yīng)力效應(yīng) 響應(yīng)模式
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD324
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-14
• 2 緒論14-36
• 2.1 研究背景14-19
• 2.1.1 研究意義14
• 2.1.2 問題的提出14-19
• 2.2 礦震、沖擊地壓等開采動力災(zāi)害研究進(jìn)展綜述19-34
• 2.2.1 國內(nèi)外礦震研究進(jìn)展19-26
• 2.2.2 國內(nèi)外沖擊地壓研究進(jìn)展26-33
• 2.2.3 礦震與沖擊地壓的關(guān)系33-34
• 2.3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線34-36
• 2.3.1 研究內(nèi)容34-35
• 2.3.2 技術(shù)路線35-36
• 3 基于應(yīng)力狀態(tài)演化的沖擊危險性分析技術(shù)36-60
• 3.1 沖擊危險性概念36-38
• 3.2 深部地層初始應(yīng)力場特征38-40
• 3.2.1 地球重力場形成的應(yīng)力場38-39
• 3.2.2 構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向39
• 3.2.3 地應(yīng)力場的地質(zhì)動力特征39-40
• 3.3 基于應(yīng)力狀態(tài)的沖擊危險性評價方法40-48
• 3.3.1 三維應(yīng)力狀態(tài)評價指標(biāo)的建立分析40-43
• 3.3.2 應(yīng)力狀態(tài)評價指標(biāo)的三軸試驗研究43-47
• 3.3.3 基于應(yīng)力狀態(tài)的巖體穩(wěn)定性危險等級劃分47-48
• 3.4 基于應(yīng)力場時空變化的沖擊危險性分析技術(shù)48-59
• 3.4.1 華亭煤田區(qū)域地質(zhì)背景分析48-49
• 3.4.2 原始地應(yīng)力場測量49-52
• 3.4.3 華亭煤田區(qū)域地應(yīng)力場反演52-54
• 3.4.4 華亭煤田應(yīng)力場、能量場及地質(zhì)動力特征54-55
• 3.4.5 基于華亭煤田底板應(yīng)力狀態(tài)的沖擊危險區(qū)域評價55-58
• 3.4.6 沖擊危險性時空演化過程討論58-59
• 3.5 本章小結(jié)59-60
• 4 區(qū)域固體潮汐應(yīng)力與礦震誘發(fā)之間的相關(guān)性及觸發(fā)作用機(jī)理60-78
• 4.1 地球固體潮汐應(yīng)力理論60-61
• 4.2 礦震的固體潮觸發(fā)效應(yīng)統(tǒng)計分析方法61-62
• 4.3 華亭煤田地區(qū)礦震的固體潮觸發(fā)效應(yīng)分析62-66
• 4.3.1 華亭煤田礦震活動背景分析62-64
• 4.3.2 潮汐作用與頂板型礦震活動之間的相關(guān)性分析64-65
• 4.3.3 潮汐作用與底板型礦震活動之間的相關(guān)性分析65-66
• 4.4 固體潮觸發(fā)作用與礦震規(guī)模的關(guān)系分析66-73
• 4.4.1 不同震級的頂板型礦震的固體潮觸發(fā)效應(yīng)分析66-70
• 4.4.2 不同震級的底板型礦震的固體潮觸發(fā)效應(yīng)分析70-73
• 4.5 潮汐應(yīng)力礦震的觸發(fā)作用機(jī)理分析73-76
• 4.5.1 潮汐應(yīng)力的作用模式73-75
• 4.5.2 潮汐應(yīng)力對頂板型礦震的觸發(fā)作用75
• 4.5.3 潮汐應(yīng)力對底板型礦震的作用75-76
• 4.6. 礦震過程對當(dāng)?shù)毓腆w潮活動的影響76-77
• 4.7. 本章小結(jié)77-78
• 5 開采動力災(zāi)害的區(qū)域應(yīng)變效應(yīng)觀測與分析方法研究78-96
• 5.1 開采擾動效應(yīng)與區(qū)域應(yīng)力場之間的相關(guān)性與協(xié)同機(jī)制分析78-80
• 5.2 華亭礦區(qū)區(qū)域應(yīng)力(應(yīng)變)效應(yīng)觀測的地質(zhì)及工程背景分析80-82
• 5.3 鉆孔應(yīng)變觀測技術(shù)82-84
• 5.4 鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)時間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 群子統(tǒng)計理論分析方法87-91
• 5.4.3 應(yīng)變速率時程變化分析方法91-95
• 5.5 本章小結(jié)95-96
• 6 開采動力災(zāi)害的區(qū)域應(yīng)變效應(yīng)及災(zāi)害相關(guān)特征分析96-114
• 6.1 礦震誘發(fā)時的區(qū)域應(yīng)變響應(yīng)模式及其與礦震特征之間的關(guān)系96-101
• 6.1.1 礦震及天然地震的區(qū)域應(yīng)變同震響應(yīng)模式97-100
• 6.1.2 礦震的區(qū)域應(yīng)變響應(yīng)模式與礦震特征關(guān)系100-101
• 6.2 基于鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)時程變化的災(zāi)害特征提取分析101-108
• 6.2.1 分形盒維數(shù)特征分析101-104
• 6.2.2 群子統(tǒng)計特征參量分析104-106
• 6.2.3 應(yīng)變速率特征分析106-108
• 6.3 開采動力災(zāi)害的前兆特征分析108-112
• 6.3.1 開采動力災(zāi)害前兆力學(xué)機(jī)理與盒維數(shù)特征分析108-109
• 6.3.2 基于巖層形變趨勢演化的災(zāi)害孕育及前兆特征分析109-112
• 6.4 本章小結(jié)112-114
• 7 結(jié)論114-117
• 7.1 主要結(jié)論114-115
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)115-116
• 7.3 展望116-117
• 參考文獻(xiàn)117-130
• 作者簡歷及在學(xué)研究成果130-135
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集135

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 何滿潮;深部的概念體系及工程評價指標(biāo)[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2005年16期

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本文編號：811259