國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金“礦山巖體力學(xué)(51822407)”研究進(jìn)展

項(xiàng)目聚焦硬巖礦山開采過程中圍巖體動(dòng)態(tài)響應(yīng)力學(xué)特征和災(zāi)害發(fā)生防控機(jī)理與方法。該項(xiàng)目由中南大學(xué)董隴軍教授承擔(dān)。在本項(xiàng)目支持下已在國(guó)內(nèi)外知名期刊發(fā)表高水平論文18篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)，主持頒布行業(yè)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。圍繞項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容、創(chuàng)新點(diǎn)等介紹如下：

1 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容

礦山巖體力學(xué)是礦山開采領(lǐng)域的核心理論，是礦山動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害防控的基礎(chǔ)。深部開采已經(jīng)成為我國(guó)礦山行業(yè)發(fā)展的新常態(tài)，隨著開采深度和地應(yīng)力的增加，在爆破等開挖作業(yè)擾動(dòng)下，發(fā)生大震級(jí)巖爆等動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害的可能性迅速增大，由此造成的損失相較淺部開采更加嚴(yán)重。現(xiàn)有災(zāi)害防控技術(shù)難以適應(yīng)深部硬巖多中段多采場(chǎng)開采中礦巖、采場(chǎng)、充填體共存的復(fù)雜環(huán)境，諸多關(guān)鍵技術(shù)難題亟待解決。

項(xiàng)目立足礦山深部開采動(dòng)力災(zāi)害防控，以服務(wù)國(guó)家資源安全高效開采重大戰(zhàn)略導(dǎo)向，以向地球深部進(jìn)軍為契機(jī)，以解決行業(yè)關(guān)鍵卡脖子技術(shù)難題為目標(biāo)，主要開展了深部硬巖開采復(fù)雜環(huán)境下中震源定位、震源機(jī)制反演、動(dòng)力災(zāi)害防控和智能礦山地聲監(jiān)測(cè)設(shè)備及定位導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)4個(gè)方面的原創(chuàng)性工作，初步探明了采動(dòng)影響下圍巖體的力學(xué)響應(yīng)特征，構(gòu)建了相對(duì)完整的深部礦山災(zāi)害防控體系，提升了硬巖資源開發(fā)“監(jiān)測(cè)—預(yù)警—防控”為一體的防災(zāi)減災(zāi)整體水平。

2 項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

(1)本項(xiàng)目改進(jìn)了傳統(tǒng)的A*路徑搜索算法，采用等間距立方體網(wǎng)格點(diǎn)搜索波傳播路徑，利用網(wǎng)格點(diǎn)來適應(yīng)礦山具有不規(guī)則空區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，獲得了波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中傳播的真實(shí)路徑，結(jié)合無(wú)需預(yù)先測(cè)速求解算法，消除了預(yù)測(cè)波速及波傳播路徑誤差對(duì)定位結(jié)果的影響，大幅度提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的震源定位精度。

(2)基于全波形分析，求得了礦山不同震源類型的震源機(jī)制解，揭示了大震級(jí)斷層滑移的震源機(jī)制，創(chuàng)新了PGV和PGA的求解方法，顛覆了現(xiàn)有PGV、PGA估計(jì)公式中其大小僅與傳播距離相關(guān)的認(rèn)識(shí)，探究了開采區(qū)域圍巖體對(duì)不同震源機(jī)制的響應(yīng)特征，為斷層滑移區(qū)巖體災(zāi)害防控提供了理論與數(shù)據(jù)支撐。

(3)本項(xiàng)目提出了基于快速匹配算法的礦山波速結(jié)構(gòu)三維成像掃描算法，建立了礦山復(fù)雜結(jié)構(gòu)中空區(qū)、富水體等異常地質(zhì)體的快速精細(xì)辨識(shí)方法，并進(jìn)一步從事件率及波速角度探究了圍巖體不同階段下的破壞特征，通過波傳播方向及震源分布確定不同開挖條件下的主應(yīng)力方向，為礦山支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及災(zāi)害防控提供有益指導(dǎo)。

(4)本項(xiàng)目研發(fā)了地聲高精度、高靈敏度智能感知傳感器，響應(yīng)頻率覆蓋1Hz-500kHz，可根據(jù)不同地質(zhì)條件及震源參數(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器響應(yīng)頻率自適應(yīng)；研發(fā)了采集位數(shù)可切換的高精度采集卡，突破不同尺度監(jiān)測(cè)范圍下全頻段信號(hào)采集困難的技術(shù)瓶頸；構(gòu)建了井下無(wú)人駕駛采礦設(shè)備車聯(lián)網(wǎng)及定位控制系統(tǒng)，發(fā)展了地表與井下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)及設(shè)備的定位與導(dǎo)航控制關(guān)鍵技術(shù)。

3 項(xiàng)目完成后帶來的改變

本項(xiàng)目科學(xué)地改善了我國(guó)深部礦山設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)決策的現(xiàn)狀，初步解決了礦山災(zāi)害防控滯后的重大問題，為智能礦山井下設(shè)備精細(xì)定位與導(dǎo)航提供技術(shù)支撐，使我國(guó)礦山爆破開挖影響下的動(dòng)力災(zāi)害防控有理可依、有據(jù)可循，為智能礦山生產(chǎn)工作提供了安全保障，促進(jìn)了我國(guó)深部礦山災(zāi)害防控與智能開采技術(shù)的發(fā)展。