國家自然科學基金優秀青年基金“礦山巖體力學(51822407)”研究進展

項目聚焦硬巖礦山開采過程中圍巖體動態響應力學特征和災害發生防控機理與方法。該項目由中南大學董隴軍教授承擔。在本項目支持下已在國內外知名期刊發表高水平論文18篇，授權國家發明專利10余項，主持頒布行業、團體標準3項。圍繞項目的主要研究內容、創新點等介紹如下：

1 項目主要研究內容

礦山巖體力學是礦山開采領域的核心理論，是礦山動力失穩災害防控的基礎。深部開采已經成為我國礦山行業發展的新常態，隨著開采深度和地應力的增加，在爆破等開挖作業擾動下，發生大震級巖爆等動力失穩災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重。現有災害防控技術難以適應深部硬巖多中段多采場開采中礦巖、采場、充填體共存的復雜環境，諸多關鍵技術難題亟待解決。

項目立足礦山深部開采動力災害防控，以服務國家資源安全高效開采重大戰略導向，以向地球深部進軍為契機，以解決行業關鍵卡脖子技術難題為目標，主要開展了深部硬巖開采復雜環境下中震源定位、震源機制反演、動力災害防控和智能礦山地聲監測設備及定位導航系統研發4個方面的原創性工作，初步探明了采動影響下圍巖體的力學響應特征，構建了相對完整的深部礦山災害防控體系，提升了硬巖資源開發“監測—預警—防控”為一體的防災減災整體水平。

2 項目主要創新點

(1)本項目改進了傳統的A*路徑搜索算法，采用等間距立方體網格點搜索波傳播路徑，利用網格點來適應礦山具有不規則空區的復雜結構，獲得了波在復雜結構中傳播的真實路徑，結合無需預先測速求解算法，消除了預測波速及波傳播路徑誤差對定位結果的影響，大幅度提高了復雜結構中的震源定位精度。

(2)基于全波形分析，求得了礦山不同震源類型的震源機制解，揭示了大震級斷層滑移的震源機制，創新了PGV和PGA的求解方法，顛覆了現有PGV、PGA估計公式中其大小僅與傳播距離相關的認識，探究了開采區域圍巖體對不同震源機制的響應特征，為斷層滑移區巖體災害防控提供了理論與數據支撐。

(3)本項目提出了基于快速匹配算法的礦山波速結構三維成像掃描算法，建立了礦山復雜結構中空區、富水體等異常地質體的快速精細辨識方法，并進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力方向，為礦山支護設計優化及災害防控提供有益指導。

(4)本項目研發了地聲高精度、高靈敏度智能感知傳感器，響應頻率覆蓋1Hz-500kHz，可根據不同地質條件及震源參數實現傳感器響應頻率自適應；研發了采集位數可切換的高精度采集卡，突破不同尺度監測范圍下全頻段信號采集困難的技術瓶頸；構建了井下無人駕駛采礦設備車聯網及定位控制系統，發展了地表與井下監測網絡通訊系統及設備的定位與導航控制關鍵技術。

3 項目完成后帶來的改變

本項目科學地改善了我國深部礦山設計與施工經驗決策的現狀，初步解決了礦山災害防控滯后的重大問題，為智能礦山井下設備精細定位與導航提供技術支撐，使我國礦山爆破開挖影響下的動力災害防控有理可依、有據可循，為智能礦山生產工作提供了安全保障，促進了我國深部礦山災害防控與智能開采技術的發展。