基于微震信息的深埋硬岩洞室围岩破裂时空演化机制研究

The spatial-temporal evolution mechanism of surrounding rock mass during the excavation of deep-buried hard rock cavern, which is a difficult challenge of deep rock mechanics and engineering safety, is needed to be study urgently. This study will conduct a in suit real microseismic (MS) monitoring during the excavation of Jinping deep underground research laboratory (URL), MS monitoring experiments for studying the effect of sensor array on microseismic source, digital panoramic borehole camera and scanning electron microscope (SEM) tests of fracture surface. The modified P-wave development degree method considered the attenuation characteristics of P & S wave and the global moment tensor analysis method considered the effect of array outside on far-field, which is suitable for near- and far-field microseismic source respectively, can be established. Then, the adaptive comprehensive method for recognizing the type of rock mass fracture in deep-buried cavern will be proposed. The comprehensive method will be applied on the real MS monitoring in the whole excavation process of URL. Then, the evolution mechanism of typical surrounding rock mass failure (e.g., rockburst, spalling or stress-induced collapse) can be study and will be contrasted with the results of digital borehole camera and SEM and the typical macroscopical fracture in field. Finally, the spatial-temporal evolution law of rock mass fracture type in deep-buried hard rock cavern can be revealed. This study can provide the theory basis for the establishment of mechanics model and analysis method of deep-buried hard rock engineering.

深埋硬岩洞室围岩破裂的时空演化机制研究，是深部岩体力学与工程安全研究的一个亟待解决的难题。本项目开展锦屏深部地下实验室现场微震实时监测、微震源阵列效应的微震监测试验、现场数字全景钻孔摄像和破裂面电镜扫描测试，建立适宜于近、远场微震源的考虑P/S波衰减特性的改进P波发育度方法和考虑远场阵列外效应的全局矩张量分析方法，提出自适应深埋洞室岩体破裂类型综合识别方法。将该方法应用于台网智能组合规划的深埋硬岩实验洞室群开挖全过程的微震实时监测，研究深埋硬岩洞室典型围岩破坏(岩爆、片帮或应力型塌方)孕育过程的机制，并与数字钻孔摄像、SEM扫描测试结果和现场典型宏观破裂等进行对比验证，揭示深埋硬岩洞室围岩破裂及其类型的时空演化规律。本项目有望为深埋硬岩工程力学模型和分析方法的建立提供理论依据。

本项目建立了深埋洞室高应力破裂灾害孕育过程的原位微震监测方法，开展了典型破裂灾害孕育过程的原位微震监测试验，获得了深埋洞室高应力卸荷开挖诱发岩爆、应力型塌方和柱状节理松弛开裂孕育过程中岩体微破裂的演化规律。通过分析矩张量分析方法、P波发育度方法和能量比方法的适用性，建立了综合三种方法的岩体破裂类型微震判定方法，可有效识别岩体破裂微震事件机制（张拉、混合或剪切）。在微震监测基础上，综合破裂灾害宏观破坏特征的原位调研和破裂灾害微观破坏特征的SEM测试等手段，建立了融合微震信息和岩体宏微观断裂特征分析的高应力破裂灾害孕育过程机制分析方法。将机制分析方法运用于高应力破裂灾害孕育过程的原位观测试验结果，获得了深埋洞室不同类型岩爆、应力型塌方和柱状节理松弛开裂孕育过程中岩体微破裂机制的时空演化规律，揭示了应变型和应变-结构面滑移型岩爆孕育机制的差异性，为岩爆分类型预警提供了理论依据，并进一步探究了典型即时型、时滞型和间歇型岩爆的孕育机制；证实了深埋洞室应力型塌方与传统的岩体结构控制型塌方的孕育机制存在明显差异：前者孕育过程中微破裂机制以张拉为主，其防控方式应由常规的改善围岩的岩体结构转变为改善围岩的应力状态；获得了深埋洞室卸荷高应下作用下柱状节理柱间、柱内水平和柱内竖直节理面的不同破裂机制及其演化规律。项目所取得的方法和认识被成功应用于锦屏地下实验室II期，白鹤滩水电站导流洞和地下厂房，巴基斯坦N-J水电站引水隧洞和川藏铁路巴玉隧道等重大深埋工程，实施了高应力破裂灾害孕育过程的监测技术与方法，为岩爆分类型预警和岩爆、应力型塌方、柱状节理松弛开裂的防治策略制定提供了基础数据和理论支撑，有效地降低了上述各工程施工期高应力破裂灾害风险。发表或即将发表SCI、EI收录期刊论文4篇，获得发明专利1项，作学术会议报告2次，作为主要人员参编英文专著1部，作为参加人获得省级技术发明一等奖1项，协助培养博硕士生共3名。