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岩石工程的监测和预警综述

来源:学术堂 作者:周老师
发布于:2015-04-01 共2595字
  岩石工程的监测和预警。
 
  1 边坡(滑坡)监测。
 
  边坡监测项目一般包括:地表大地变形、地表裂缝位错、地面倾斜、裂缝多点位移、边坡深部位移、地下水、孔隙水压力、边坡地应力。按照监测方式,可以分为简易观测法、设站观测法、仪表观测法和远程监测方法。
 
  按照监测仪器与监测对象,边坡常用监测方法有:
 
  坡表测量(经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等)、坡体内部测量(钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等)、位移计、GPS 监测、红外遥感监测(SAR)法、激光微小位移监测、合成孔径雷达干涉测量、光纤位移测量、时间域反射测试(TDR)技术、声发射监测技术、微震监测技术等。在岩土工程边坡监测方面,付冰清等做了大量的研究探索,并取得了一系列重要的成果,特别是诸如新滩、链子崖、黄蜡石等边坡工程的监测,为成功预测预报滑坡灾害提供了关键支持。徐卫亚教授团队近年在锦屏一级高边坡监测和预警机制方面做了较多研究工作.
 
  边坡安全监测主要体现在:对安全监测的内涵及其对工程意义的理解和认识更加全面、深入;数据智能处理与数据动态管理方法、进行实时监测、安全预警和可靠性预测成为监测仪器的发展方向;安全监测的尺度更大、范围更广,数字摄影、GPS,GIS和 INSAR 等新的监测技术手段在边坡监测中不断推广应用。但这些方法不同程度地受一些因素的制约:
 
  GPS 监测需要设置信号,系统庞杂,受大气层和电离层等电波干扰产生信号延迟,受周围环境的电波或者电磁波的干扰而影响接收精度,不适合对微小形变进行测量或者早期预警;红外遥感监测则受电波、电磁波的影响,不能进行连续监测,受外界地形地貌及电波的干扰;光纤位移监测主要进行表面测量,对边坡进行测量时受边坡外部结构的影响,将产生变形。全站仪不但受地形地貌影响,且不能对边坡进行实时监测。
 
  现有边坡监测系统不论是 GPS 系统、SAR、红外遥感,还是光纤维位移测量,大多数都是对可能发生边坡失稳的部位进行边坡表面位移监测。近年来,声发射(微震)监测技术能够及时发现岩体内部破裂,评价岩体稳定性;何满潮研发的基于边坡深部滑动面上滑动力变化远程实时监测系统具有集加固、监测、控制和预报多项功能的独特优点,实践中取得了能准确的预报滑坡的良好效果,起到了为矿山安全开采保驾护航的重要作用。
 
  2 地下工程监测技术。
 
  地下矿山监测岩体初期破裂引起的弹性波信号的应用可以追溯到 1942 年。矿山地震监测系统已从早期的机械式,经由信号电子模拟系统,再到现在的全数字化地震监测系统;其监测数据处理和分析功能也已从早期简单的脉冲记数和震幅记录,经由简单震源定位,发展到目前能够自动进行定量地震学参数计算,并具有一定地震预测分析能力,同时可将矿山工程结构和地震数据三维可视化综合集成,为矿山深部地震活动及其与开采响应研究提供有效监测。国外微震监测技术的发展已使矿山微破裂的监测从“难以实现的奢望”转变为采矿安全管理的一个有机组成部分,如南非、德国、波兰、美国、英国、加拿大、日本和澳大利亚等国在矿山、隧道、地下油气料储存洞室和热干岩发电等方面均得到广泛应用,取得了大量的研究成果.
 
  中国开展矿山监测微震研究较晚,但也已取得了较好进展,并逐渐得到应用。1986 年门头沟煤矿首先采用波兰 SYLOK 微震监测系统;1990 年兴隆庄煤矿采用澳大利亚地震监测系统进行监测;2004年凡口铅锌矿引进加拿大 ESG 微震监测系统;2005 年铜陵冬瓜山铜矿也建立对该矿深部采区地压的监测.姜福兴等与澳大利亚联邦科学院就煤矿灾害的预测及防治工作进行科技攻关,针对矿山的不同灾害,研制成功 BMS 微震监测系统,并应用在峰峰、兖州、双鸭山等矿区,开展了顶板破裂高度、异常压力、动压规律监测预警,以及底板突水监测预警、冲击地压监测预警、导水裂隙带高度监测、海下开采金矿的岩爆与海水溃水监测预警等,取得了很好的应用研究成果。X. B. Li 和L. J. Dong提出了无需预先测速的微震源定位方法及其解析算法,并进行了比较和验证。潘一山等研制了一套国内首台具有自主知识产权的矿区千米尺度破坏性矿震监测定位系统,并在北京木城涧煤矿的冲击矿压预测预报中得了应用,定位精度高。窦林名教授团队从波兰矿山研究总院引进 SOS 微震监测系统,已经在十几个具有冲击地压现象的矿井安装,预测了多次矿震和冲击矿压事件.唐礼忠等在冬瓜山铜矿安装了用于监测岩爆灾害的南非 ISS 微震监测系统。冯夏庭等结合声发射和微震监测技术对锦屏二级水电站深埋隧洞岩体损伤及岩爆问题进行了研究。强调了岩爆孕育过程的研究方法和不同类型岩爆孕育过程的机制、规律和特征研究,不同类型(即时型、时滞型)岩爆孕育过程中微震信息演化特征和规律及其差异性,TBM 与钻爆法诱发隧道岩爆的规律和差异性。2004 年以来,唐春安团队在引进加拿大 ESG 微震监测系统,吸取国内外微震监测成果后对该系统进行多项改进,针对国内用户需求研制了中文三维可视化软件,并在红透山铜矿、张马屯铁矿、石人沟铁矿、义马跃进与千秋煤矿、新庄孜煤矿、锦屏二级水电站深埋隧洞群等不同领域进行大量微震监测工作,在岩体动力灾害方面的研究方面取得许多成果.
 
  3 监测、预警与分析一体化。
 
  采用反分析法研究岩石工程是一大趋势。许多学者结合现场监测数据和智能算法等手段,取得大量研究成果。郑东健等根据边坡监测结果,建立了滑坡变形的多因素预测模型。张我华等采用随机损伤力学模型评价了边坡的稳定性。李守巨等也针对岩石工程边坡提出了智能计算方法及其参数反演算法。邓建辉等运用 BP 网络、遗传算法建立边坡弹性模量位移反分析模型,提出实用反分析优化算法,并结合三峡永久船闸高边坡进行岩体反演计算分析及稳定性评价。李建林等基于弹塑性有限元方法,通过对开挖边坡的应力应变场的分析,得到每步开挖后岩体质量的劣化情况,然后采用相应的动态卸荷力学参数,对开挖过程中边坡的稳定性进行分析。陈胜宏等建立岩石高边坡力学参数的联合位移反分析模型,对三峡工程船闸边坡进行施工过程追踪预报分析。周火明等利用岩体声波测试和现场岩体变形试验等手段,研究三峡船闸边坡岩石工程卸荷扰动区范围以及岩体力学性质弱化程度和岩体力学参数取值。唐春安团队在锦屏二级水电站左岸边坡工程中,采用数值模型与微震监测数据进行反馈计算,提出基于微震损伤的边坡稳定性分析方法.以上研究成果不但大大地提高了人们认识和分析岩石边坡安全性的能力,也促进了岩石工程稳定性分析理论和应用的发展及岩石工程监测预警与数值模拟分析一体化。
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