[論文レビュー] Description of seismic sources in underground mines: Dynamic stress fracturing around tunnels and strainbursting

Dmitriy Malovichko, Alex Rigby|arXiv (Cornell University)|May 15, 2022

Geotechnical Engineering and Underground Structures被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、地下鉱山における坑道周辺の動的応力割れによって引き起こされる地震的現象について、物理的ベースの点源モデルを提案する。機械的および幾何学的パラメータを用いて地震放射を予測する。モデルは、圧縮的（負の等方的）およびパンケーキ型（補償線形ベクトルダイポール）の源メカニズムを正確に捉えており、スカラー地震モーメントは |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A と近似され、実際の鉱山地震データと強い一貫性を示している。

ABSTRACT

This paper considers dynamic fracturing of the rockmass surrounding a tunnel statically loaded by compressional stress as a possible source of seismic events in underground mines. This begins with two-dimensional dynamic modelling of failure for six plausible scenarios. In each case, the seismic source derived from these models has significant negative isotropic and negative compensated linear vector dipole components as well as a P-axis approximately aligned with the direction of maximum compressional principal stress. These features indicate that at wavelengths larger than the diameter of the tunnel and the extent of damage along it, seismic radiation is controlled by the elastic convergence of the surrounding rockmass rather than by rock fracturing. An analytical approximation of the source mechanism is suggested that is based solely on mechanical and geometric properties: the magnitudes $σ_{\mathrm{max}}$ and $σ_{\mathrm{min}}$ of the maximum and minimum principal stresses orthogonal to the tunnel's axis, the Poisson's ratio $ν$ of the rockmass, the length $L_{3}$ of dynamic fracturing along the tunnel, the effective tunnel dimension $\bar{L_{A}}$, and the increase in depth of failure $ riangle d_{f}^{A}$ in the direction of $σ_{\mathrm{min}}$. Furthermore, it is shown that the scalar seismic moment can be approximated as $|\mathbf{M}|\approx2[(1-ν)/(1-2ν)]|σ_{max}|L_{3}\bar{L_{A}} riangle d_{f}^{A}$. The suggested approximations are considered in the context of seismic data from a real underground mine. It is shown that many mechanisms inverted from observed waveforms are consistent with the suggested model and that the proposed source mechanism approximation can be used for the forensic analysis of damaging seismic events and quantitative monitoring of the evolution of fractured zones around tunnels.

研究の動機と目的

• 地下鉱山における坑道周辺の動的応力割れによって生じる地震的現象の定量的で点源モデルの開発を目的とする。
• ひずみバースト事象でよく見られる、特に負の等方的成分および補償線形ベクトルダイポール成分を含む観測された地震放射パターンの説明を目的とする。
• 掘削部周辺の岩石塊の収縮という物理的プロセスと観測波形を結びつけることで、破壊的地震的現象のフォレンジック分析を可能にする。
• 坑道周辺の亀裂領域の成長を定量的に評価することにより、損傷の進捗状況と地盤補強材の消費量をリアルタイムでモニタリングするのを支援する。
• トンネルに限らず、地震波長が掘削サイズを上回る条件下で、他の地下掘削構造（例：ストーブ、シャフト）への応用可能性を拡張することを目的とする。

提案手法

• さまざまな荷重条件、坑道形状、材料特性のシナリオ（6ケース）における岩石塊の破壊を2次元動的有限要素解析で実施する。
• 主応力（σ_max, σ_min）、ポisson比（ν）、坑道長（L₃）、有効坑道寸法（L̄_A）、破壊深さの増加（Δd_f^A）に基づき、式（3）を用いて源メカニズムの近似を導出する。
• 均質・等方的媒体における弾性動的グリーン関数を適用し、長波長条件下でトンネルを地震源の一部として扱うことで、モデル化を簡素化する。
• 動的割れの数値シミュレーションには物質点法（MPM）を用い、補足アニメーションおよび検証テストにより妥当性を検証する。
• スカラー地震モーメントの近似式：|M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A を導出し、主な予測ツールとする。
• 実際の地下鉱山から得た地震波形データと比較して、モデルの妥当性を検証する。逆問題による源メカニズムとモデル予測値を照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 坑道周辺の動的応力割れを、予測可能な地震放射特性を持つ点源としてモデル化できるか？
• RQ2 坑道に起因する応力割れによって生じる地震的現象の主な源メカニズム（例：等方的、CLVD）は何か？
• RQ3 機械的および幾何学的パラメータ（例：σ_max, ν, L₃, L̄_A, Δd_f^A）が、このような現象のスカラー地震モーメントにどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案されたモデルは、実際の鉱山ひずみバーストからの観測波形をどの程度説明できるか？
• RQ5 このモデルは、損傷の進捗状況のモニタリングおよび地盤補強材の消費容量の評価をリアルタイムで行うのに利用可能か？

主な発見

• 坑道周辺の動的応力割れに起因する地震源メカニズムは、強い負の等方的（圧縮的）成分および負の補償線形ベクトルダイポール（パンケーキ型）成分を示す。
• 源のP軸は、常に最大圧縮主応力方向と一致しており、長波長条件下で弾性的収縮が支配的であることを示している。
• スカラー地震モーメントは |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A でよく近似され、剛性荷重条件下では下限推定値を提供する。
• 実際の鉱山で観測された多数の地震的現象が、提案されたモデルと整合する源メカニズムを示しており、その妥当性を裏付けている。
• 逆問題による波形と予測されたメカニズムを照合することで、フォレンジック分析が可能となり、損傷の検出が可能となる。