岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统与流程

1.本发明涉及微震监测技术领域，尤其是涉及一种岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统。


背景技术：

2.随着浅部矿产资源的不断开发利用和逐渐耗竭，深凹露天矿将成为露天矿山的发展趋势，露天采场边坡高度超过200m的矿山越来越多，边坡失稳风险也越来越大。深入开展露天采场高陡边坡稳定性综合监测预警技术研究，对于推动我国未来的边坡监测技术发展、防范高大岩质边坡诱发的地质灾害、保证矿山安全生产具有重要的理论与实际意义。微震监测技术能对高陡岩质边坡深部岩体变形全过程和岩石微破裂情况进行全面实时监测，是一种很好的区域预测方法，且相比于其他gps、雷达等表面位移监测技术，其可实现岩体内部的微破裂或微变形定位监测，更具有超前的风险预警效果。目前，现有的关于边坡岩体破裂失稳试验研究，大多是采用岩石室内声发射试验方法，获取的特征规律无法真实反映大规模岩体的破坏特征及规律，因此也无法准确指导实际边坡安全预警工作。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统，能够获取大量准确可验证的现场测试数据，提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性。
4.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种岩体破裂失稳原位微震测试方法，包括：基于预设的岩体破裂规模，在预设的微震监测台网范围内设置至少两个测试钻孔，并在每个测试钻孔内设置至少一套岩石劈裂装置；其中，岩石劈裂装置为非爆炸类岩石劈裂装置；按照预设的组合方式和启动顺序，依次启动岩石劈裂装置，以模拟岩体破裂失稳过程，并通过微震监测台网获取岩体破裂过程中的微震活动参数。
6.在一种实施方式中，微震监测台网设置在现场测试区域周边，包括至少四个微震传感器。
7.在一种实施方式中，微震传感器的安装方式包括以下方式中的一种：表面粘贴安装、钻孔灌浆安装。
8.在一种实施方式中，测试钻孔的深度大于1m。
9.在一种实施方式中，测试钻孔之间的布置间距大于1m。
10.在一种实施方式中，测试钻孔的钻孔直径大于38mm。
11.在一种实施方式中，岩石劈裂装置的张力作用方向垂直于测试钻孔的布置方向。
12.在一种实施方式中，岩石劈裂装置包括采用电动或柴油动力驱动的非爆炸液压式岩石劈裂装备。
13.第二方面，本发明实施例提供了一种岩体破裂失稳原位微震测试系统，包括：微震监测台网和至少一套岩石劈裂装置；其中，微震监测台网设置在现场测试区域周边，岩石劈
裂装置设置在测试钻孔内；岩石劈裂装置为非爆炸类岩石劈裂装置，用于模拟岩体破裂失稳过程；其中，通过不同的岩石劈裂装置的组合方式和启动顺序模拟不同的岩体破裂方向与破裂面大小；微震监测台网，用于获取岩体破裂过程中的微震活动参数。
14.在一种实施方式中，微震监测台网包括至少四个微震传感器。
15.本发明实施例带来了以下有益效果：
16.本发明实施例提供的上述岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统，首先基于预设的岩体破裂规模，在预设的微震监测台网范围内设置至少两个测试钻孔，并在每个测试钻孔内设置至少一套岩石劈裂装置(非爆炸类岩石劈裂装置)；然后按照预设的组合方式和启动顺序，依次启动岩石劈裂装置，以模拟岩体破裂失稳过程，并通过微震监测台网获取岩体破裂过程中的微震活动参数。上述方法采用非爆炸液压劈裂方式能够避开爆轰波经由冲击波转化为弹性波的复杂理论计算，最大化消除化学爆炸对弹性波转换与传输的影响，为后续边坡滑坡风险预警提供可靠数据，提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性；同时，能够通过不同的岩石劈裂装置组合方式和启动顺序控制边坡岩体破裂的方向与破裂面大小，从而提高了岩体破坏微震试验研究的可靠性与针对性。
17.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的一种岩体破裂失稳原位微震测试方法的流程图；
21.图2为本发明实施例提供的一种微震监测原位测试钻孔和微震监测钻孔剖面布置示意图；
22.图3为本发明实施例提供的一种微震监测原位测试钻孔和微震监测钻孔平面布置示意图；
23.图4为本发明实施例提供的一种岩体破裂失稳原位微震测试系统的结构示意图。
24.图标：
25.1～4-监测钻孔；5-微震传感器；6-岩石劈裂装置；a～h-测试钻孔。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.目前，关于边坡失稳研究主要集中在稳定性分析方法、滑坡机理以及室内岩石试验等方面，大部分均集中在岩石室内声发射试验研究上，而有关边坡岩体失稳破坏原位微震试验方面的研究为空白。现有的针对地下岩体工程的原位测试方法，采用微震监测获取的岩体破坏微震事件无法进行验证，且由于在其开挖方向上的岩体破坏裂纹扩展方向无法控制，则所获得的微震参数及其特征在实际岩爆预警运用中的可靠性较低。
28.而目前常用的岩石室内声发射试验方法为：把岩石加工成规则的试块，一般为圆柱形或方形，圆柱形尺寸为直径50mm，长100mm，方形尺寸一般为50mm*50mm，在岩石试块上贴上一定数量的声发射传感器，再通过岩石试验机对岩石进行拉伸、压缩以及剪切破坏试验，从而获取岩石破坏过程中的声发射参数。这类试验技术方案存在的不足均为声发射试验获取的岩石破坏事件频率较大，震级较小，无法获取岩石或岩体破坏的较大事件，岩石试块代表性不足，岩石破坏的声发射特征与现场大规模岩体破坏的微震特征存在较大差异，采用岩石破坏室内声发射试验获取的特征规律无法真实反映大规模岩体的破坏特征及规律，从而无法准确指导实际边坡安全预警工作。而对于有些现场微震原位试验方案，虽然解决了微震事件的代表性问题，但因为其开挖方向实际产生的微震事件的空间位置难以确定，存在微震事件难以验证的问题。
29.基于此，本发明实施例提供的一种岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统，能够获取大量准确可验证的现场测试数据，提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性。
30.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种岩体破裂失稳原位微震测试方法进行详细介绍，参见图1所示的一种岩体破裂失稳原位微震测试方法的流程图，示意出该方法主要包括以下步骤s101至步骤s102：
31.步骤s101：基于预设的岩体破裂规模，在预设的微震监测台网范围内设置至少两个测试钻孔，并在每个测试钻孔内设置至少一套岩石劈裂装置；其中，岩石劈裂装置为非爆炸类岩石劈裂装置。
32.在一种实施方式中，可以预先在现场测试区域周边安装微震传感器形成微震监测台网，微震传感器数量至少为四个，微震传感器的安装方式可以是表面粘贴安装、钻孔灌浆安装或其他能够稳定固定微震传感器的安装方式。在试验前，可以基于需要的模拟的岩体破裂规模，在微震监测台网范围内设置至少两个测试钻孔，测试钻孔的深度大于1m，测试钻孔之间的布置间距大于1m，钻孔直径大于38mm，并在每个测试钻孔内设置至少一套岩石劈裂装置，岩石劈裂装置的张力作用方向垂直于测试钻孔的布置方向。岩石劈裂装置可以是非爆炸类岩石劈裂装置，具体可以是采用电动、柴油或其他动力驱动的非爆炸液压式岩石劈裂装备。
33.步骤s102：按照预设的组合方式和启动顺序，依次启动岩石劈裂装置，以模拟岩体破裂失稳过程，并通过微震监测台网获取岩体破裂过程中的微震活动参数。
34.在一种实施方式中，不同的岩石劈裂装置的组合方式和启动顺序可以模拟不同的岩体破裂规模，基于此，本发明实施例中可以基于岩体破裂规模预先确定岩石劈裂装置的组合方式和启动顺序，在试验过程中，按照预先确定的组合方式和启动顺序，依次启动岩石劈裂装置，在岩石劈裂装置的张拉作用下，岩体沿各相邻测试钻孔之间逐渐产生不同大小和扩展方向的定向裂纹，在岩石劈裂装置的持续张拉与岩体自身重力作用下，测试岩体破裂裂纹持续扩展贯通，直至发生滑落，在此过程中，微震监测台网可以持续监测记录岩体破
坏的微震活动参数，最终完成整个岩体破裂失稳的微震试验过程。
35.本发明实施例提供的上述岩体破裂失稳原位微震测试方法，采用非爆炸液压劈裂方式能够避开爆轰波经由冲击波转化为弹性波的复杂理论计算，最大化消除化学爆炸对弹性波转换与传输的影响，为后续边坡滑坡风险预警提供可靠数据，提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性；同时，通过不同岩体劈裂顺序与方式(即不同的岩石劈裂装置组合方式和启动顺序)，可以模拟不同规模岩体的破坏失稳事件，并现场制造出不同尺寸和扩展方向的岩体破坏裂纹，从而获得空间位置非常准确且可验证的微震事件，通过该类现场试验可以获取大量准确可验证的现场测试数据，大大提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性。
36.进一步，为了便于理解，本发明实施例还提供了微震监测原位测试钻孔和微震监测钻孔的示意图，参见图2和图3所示，测试现场可以布置4个监测钻孔1～4，每个监测钻孔内布置2个微震传感器5，形成微震监测台网；在监测台网内布置测试钻孔a～h，测试钻孔a～h深度均为3m，钻孔间距2m，其中，测试钻孔a～d倾角不小于台阶坡面角，测试钻孔e～h深度倾角为台阶坡面角的一半，孔径均为200mm，钻孔距离台阶外坡2m。测试钻孔优先采用平行布置方式，每个测试钻孔中布置2套岩石劈裂装置6，安装时使岩石劈裂装置的张拉作用方向垂直测试钻孔布置方向。
37.在模拟岩体的拉伸破坏时，优先采用从一端往另一端或同时从上往下依次破裂方向，如图2和图3所示，岩石劈裂装置的启动顺序可以是：同时启动测试钻孔a～d中靠近孔口的岩石劈裂装置
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》同时启动测试钻孔a～d中靠近孔底的岩石劈裂装置
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》同时启动测试钻孔e～h中靠近孔底的岩石劈裂装置
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》同时启动测试钻孔e～h中靠近孔口的岩石劈裂装置，直至测试岩体发生拉伸破裂滑落，完成整个测试过程。
38.需要说明的是，本发明实施例中提到的所有实施方式仅为示例性的，实际应用中可与本实施例不同，在此不做限定。
39.本发明实施例提供了一种真实边坡岩体破裂失稳过程的现场原位微震试验方法，采用非爆炸液压式岩石劈裂装置模拟岩体的拉伸破坏试验过程，并依此研究岩体整个破裂失稳过程中的微震活动特征。本发明的优势在于边坡岩体破裂的方向与破裂面大小可根据研究目的进行人工可控设定，具体通过不同的岩石劈裂装置组合方式和启动顺序进行控制，从而提高了岩体破坏微震试验研究的可靠性与针对性，其产生的主要效果为：一是采用非爆炸液压劈裂方式代替传统的爆炸震源试验方式，其能很好的避开爆轰波经由冲击波转化为弹性波的复杂理论计算，最大化消除化学爆炸对弹性波转换与传输的影响，为后续边坡滑坡风险预警提供可靠数据；二是基于该测试方法，可以开展基于真实可验证岩体破裂事件的波速校正与定位修正算法研究、微震事件时频与波形特征、微震活动时空强演化规律以及岩体破裂失稳微震前兆特征等研究，为开展原位状态下边坡岩体破坏失稳全过程微震监测规律基础性研究提供了技术手段与方法，为露天岩质高陡边坡灾害可靠预警预报提供技术保障。
40.对于前述岩体破裂失稳原位微震测试方法，本发明实施例还提供了一种岩体破裂失稳原位微震测试系统，参见图4所示的一种岩体破裂失稳原位微震测试系统的结构示意图，示意出该系统主要包括：微震监测台网和至少一套岩石劈裂装置。
41.其中，微震监测台网设置在现场测试区域周边，岩石劈裂装置设置在测试钻孔内；岩石劈裂装置为非爆炸类岩石劈裂装置，用于模拟岩体破裂失稳过程；其中，通过不同的岩
石劈裂装置的组合方式和启动顺序模拟不同的岩体破裂方向与破裂面大小；微震监测台网，用于获取岩体破裂过程中的微震活动参数，微震监测台网包括至少四个微震传感器。
42.本发明实施例提供的上述岩体破裂失稳原位微震测试系统，采用非爆炸液压劈裂方式能够避开爆轰波经由冲击波转化为弹性波的复杂理论计算，最大化消除化学爆炸对弹性波转换与传输的影响，为后续边坡滑坡风险预警提供可靠数据，提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性；同时，通过不同岩体劈裂顺序与方式(即不同的岩石劈裂装置组合方式和启动顺序)，可以模拟不同规模岩体的破坏失稳事件，并现场制造出不同尺寸和扩展方向的岩体破坏裂纹，从而获得空间位置非常准确且可验证的微震事件，通过该类现场试验可以获取大量准确可验证的现场测试数据，大大提高了边坡岩体破坏失稳预警的准确性。
43.在一种实施方式中，可以在现场测试区域周边安装微震传感器形成微震监测台网，微震传感器数量至少为四个，微震传感器的安装方式可以是表面粘贴安装、钻孔灌浆安装或其他能够稳定固定微震传感器的安装方式。在试验前，可以基于需要的模拟的岩体破裂规模，在微震监测台网范围内设置至少两个测试钻孔，并在每个测试钻孔内设置至少一套岩石劈裂装置，形成岩体破裂失稳原位微震测试系统。岩石劈裂装置的张力作用方向垂直于测试钻孔的布置方向，岩石劈裂装置可以是非爆炸类岩石劈裂装置，具体可以是采用电动、柴油或其他动力驱动的非爆炸液压式岩石劈裂装备。
44.在试验过程中，按照预先确定的组合方式和启动顺序，依次启动岩石劈裂装置，在岩石劈裂装置的张拉作用下，岩体沿各相邻测试钻孔之间逐渐产生不同大小和扩展方向的定向裂纹，在岩石劈裂装置的持续张拉与岩体自身重力作用下，测试岩体破裂裂纹持续扩展贯通，直至发生滑落，在此过程中，微震监测台网可以持续监测记录岩体破坏的微震活动参数，最终完成整个岩体破裂失稳的微震试验过程。
45.本发明实施例所提供的系统，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
46.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。