[논문 리뷰] Description of seismic sources in underground mines: Dynamic stress fracturing around tunnels and strainbursting

Dmitriy Malovichko, Alex Rigby|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 15.

Geotechnical Engineering and Underground Structures인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지하 광산의 터널 주변에서 동적 응력 균열이 유도하는 지진 사건을 위한 물리 기반 점원천 모델을 제안한다. 기계적 및 기하학적 매개변수를 사용하여 지진 방사선을 예측한다. 모델은 압축성(음성 등방성) 및 패티형(보완된 선형 벡터 듀폴) 원천 메커니즘을 정확히 반영하며, 스칼라 지진 모멘트는 |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A로 근사되며, 실제 광산 지진 데이터와 강한 일致성을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지하 광산의 터널 주변에서 발생하는 동적 응력 균열에 의한 지진 사건을 위한 정량적 점원천 모델을 개발한다.
• 일반적으로 응력 붕괴 사건에서 관찰되는 음성 등방성 및 보완된 선형 벡터 듀폴 성분을 포함한 관측된 지진 방사선 패턴을 설명한다.
• 터널 주변의 암반의 수축 과정과 관련된 물리적 과정을 연결하여 손상 지진 사건의 포렌식 분석을 가능하게 한다.
• 터널 주변의 균열 영역의 성장 정도를 정량화하여 손상 진전과 지지재 소모를 실시간으로 모니터링하는 데 기여한다.
• 터널을 초월하여 지진 파장이 굴착 구조물의 크기보다 큰 조건에서, 다른 지하 굴착 구조물(예: 스토프, 시프트)에도 적용 가능하도록 확장한다.

제안 방법

• 다양한 하중 조건, 터널 기하학, 재료 성질 조건(6가지 케이스)에서 암반의 파손을 2차원 동적 유한요소 시뮬레이션으로 수행한다.
• 주응력(σ_max, σ_min), 푸아송 비(ν), 터널 길이(L₃), 효과적 터널 치수(L̄_A), 균열 깊이 증가량(Δd_f^A)을 바탕으로 식 (3)을 이용해 원천 메커니즘 근사치를 유도한다.
• 균질하고 등방성 매질에 대한 탄성역학적 그린 함수를 적용하여, 장파장에서의 모델링을 단순화하기 위해 터널을 지진 원천의 일부로 간주한다.
• 수치적 시뮬레이션을 위해 물질점 방법(MPM)을 사용하였으며, 보조 애니메이션 및 검증 테스트를 통해 검증하였다.
• 스칼라 지진 모멘트 근사치 |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A를 유도하여 주요 예측 도구로 활용한다.
• 실제 지하 광산의 지진 파형 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하였으며, 역산된 원천 메커니즘과 모델 예측치를 대조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터널 주변에서 발생하는 동적 응력 균열을 예측 가능한 지진 방사선 특성을 지닌 점원천으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 터널 관련 응력 균열에 의해 유도된 지진 사건의 주요 원천 메커니즘(예: 등방성, CLVD)은 무엇인가?
• RQ3 기계적 및 기하학적 매개변수(예: σ_max, ν, L₃, L̄_A, Δd_f^A)가 이러한 사건의 스칼라 지진 모멘트에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 모델이 실제 광산 응력 붕괴에서 관측된 지진 파형을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 모델을 사용하여 손상 진전을 실시간으로 모니터링하고 지지재 소모 용량을 평가할 수 있는가?

주요 결과

• 터널 주변에서 발생하는 동적 응력 균열의 지진 원천 메커니즘은 강한 음성 등방성(압축성) 및 음성 보완된 선형 벡터 듀폴(패티형) 성분을 나타낸다.
• 원천의 P축은 항상 최대 압축 주응력 방향과 일치하며, 이는 장파장에서 탄성 수축이 지배적임을 시사한다.
• 스칼라 지진 모멘트는 |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A로 잘 근사되며, 고정된 하중 조건에서 하한 추정치를 제공한다.
• 실제 광산에서 관측된 많은 지진 사건들이 제안된 모델과 일치하는 원천 메커니즘을 보이며, 이는 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• 역산된 파형과 예측된 메커니즘을 비교함으로써 포렌식 분석이 가능하며, 손상의 감지가 가능하다.