国家自然科学基金优秀青年基金“矿山岩体力学(51822407)”研究进展

项目聚焦硬岩矿山开采过程中围岩体动态响应力学特征和灾害发生防控机理与方法。该项目由中南大学董陇军教授承担。在本项目支持下已在国内外知名期刊发表高水平论文18篇，授权国家发明专利10余项，主持颁布行业、团体标准3项。围绕项目的主要研究内容、创新点等介绍如下：

1 项目主要研究内容

矿山岩体力学是矿山开采领域的核心理论，是矿山动力失稳灾害防控的基础。深部开采已经成为我国矿山行业发展的新常态，随着开采深度和地应力的增加，在爆破等开挖作业扰动下，发生大震级岩爆等动力失稳灾害的可能性迅速增大，由此造成的损失相较浅部开采更加严重。现有灾害防控技术难以适应深部硬岩多中段多采场开采中矿岩、采场、充填体共存的复杂环境，诸多关键技术难题亟待解决。

项目立足矿山深部开采动力灾害防控，以服务国家资源安全高效开采重大战略导向，以向地球深部进军为契机，以解决行业关键卡脖子技术难题为目标，主要开展了深部硬岩开采复杂环境下中震源定位、震源机制反演、动力灾害防控和智能矿山地声监测设备及定位导航系统研发4个方面的原创性工作，初步探明了采动影响下围岩体的力学响应特征，构建了相对完整的深部矿山灾害防控体系，提升了硬岩资源开发“监测—预警—防控”为一体的防灾减灾整体水平。

2 项目主要创新点

(1)本项目改进了传统的A*路径搜索算法，采用等间距立方体网格点搜索波传播路径，利用网格点来适应矿山具有不规则空区的复杂结构，获得了波在复杂结构中传播的真实路径，结合无需预先测速求解算法，消除了预测波速及波传播路径误差对定位结果的影响，大幅度提高了复杂结构中的震源定位精度。

(2)基于全波形分析，求得了矿山不同震源类型的震源机制解，揭示了大震级断层滑移的震源机制，创新了PGV和PGA的求解方法，颠覆了现有PGV、PGA估计公式中其大小仅与传播距离相关的认识，探究了开采区域围岩体对不同震源机制的响应特征，为断层滑移区岩体灾害防控提供了理论与数据支撑。

(3)本项目提出了基于快速匹配算法的矿山波速结构三维成像扫描算法，建立了矿山复杂结构中空区、富水体等异常地质体的快速精细辨识方法，并进一步从事件率及波速角度探究了围岩体不同阶段下的破坏特征，通过波传播方向及震源分布确定不同开挖条件下的主应力方向，为矿山支护设计优化及灾害防控提供有益指导。

(4)本项目研发了地声高精度、高灵敏度智能感知传感器，响应频率覆盖1Hz-500kHz，可根据不同地质条件及震源参数实现传感器响应频率自适应；研发了采集位数可切换的高精度采集卡，突破不同尺度监测范围下全频段信号采集困难的技术瓶颈；构建了井下无人驾驶采矿设备车联网及定位控制系统，发展了地表与井下监测网络通讯系统及设备的定位与导航控制关键技术。

3 项目完成后带来的改变

本项目科学地改善了我国深部矿山设计与施工经验决策的现状，初步解决了矿山灾害防控滞后的重大问题，为智能矿山井下设备精细定位与导航提供技术支撑，使我国矿山爆破开挖影响下的动力灾害防控有理可依、有据可循，为智能矿山生产工作提供了安全保障，促进了我国深部矿山灾害防控与智能开采技术的发展。