[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出了一种基于物理的点源模型，用于模拟地下矿井中隧道周围动态应力破裂引起的地震事件，通过力学和几何参数预测地震辐射。该模型准确捕捉了压缩型（负各向同性）和薄煎饼型（补偿线性矢量偶极子）的源机制，标量地震矩近似为 |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A，且与真实矿井地震数据高度一致。

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.

研究动机与目标

• 开发一种针对地下矿井中隧道周围动态应力破裂产生的地震事件的定量点源模型。
• 解释观测到的地震辐射模式，特别是负各向同性和补偿线性矢量偶极子分量，这些特征在应变突变事件中常见。
• 通过将观测波形与开挖周围岩体收敛的物理过程关联，实现对破坏性地震事件的法医学分析。
• 通过量化隧道周围破裂区域的扩展，支持对损伤演化和地压支护消耗的实时监测。
• 将适用范围从隧道扩展至其他地下开挖结构（如采场、竖井），在地震波长超过开挖尺寸的条件下仍具适用性。

提出的方法

• 对不同加载条件、隧道几何形状和材料性能场景（共六组）下的岩体破坏进行二维动态有限元模拟。
• 基于主应力（σ_max, σ_min）、泊松比（ν）、隧道长度（L₃）、有效隧道尺寸（L̄_A）和破裂深度增量（Δd_f^A）推导源机制近似表达式，使用公式（3）。
• 采用均匀各向同性介质的弹性动力学格林函数，将隧道视为地震源的一部分，以简化长波长条件下的建模。
• 采用物质点法（MPM）进行动态破裂的数值模拟，并通过补充动画和验证测试进行验证。
• 推导出标量地震矩近似公式：|M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A，作为关键预测工具。
• 通过与某地下矿井的真实地震波形数据对比，验证模型，比较反演的源机制与模型预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 隧道周围动态应力破裂能否被建模为具有可预测地震辐射特征的点源？
• RQ2 由隧道相关应力破裂引起的地震事件的主要源机制（如各向同性、CLVD）是什么？
• RQ3 力学和几何参数（如 σ_max, ν, L₃, L̄_A, Δd_f^A）如何影响此类事件的标量地震矩？
• RQ4 所提出的模型在多大程度上能够解释真实矿井应变突变事件的观测地震波形？
• RQ5 该模型能否用于实时监测损伤演化并评估地压支护容量的消耗？

主要发现

• 隧道周围动态应力破裂的地震源机制表现出强烈的负各向同性（压缩型）和负补偿线性矢量偶极子（薄煎饼型）分量。
• 源机制的P轴始终与最大压应力主应力方向一致，表明在长波长条件下弹性收敛占主导地位。
• 标量地震矩可良好地近似为 |M| ≈ 2[(1−ν)/(1−2ν)]|σ_max|L₃L̄_AΔd_f^A，在刚性加载条件下提供下限估计。
• 真实矿井中观测到的许多地震事件的源机制与所提模型一致，支持其有效性。
• 该模型可通过对比反演波形与预测机制，实现法医学分析，从而实现对损伤的检测。