有關(guān)巖爆問題的研究綜述

陳 奎 李福壯

河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院（450000）

0 前言

21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，綜合國(guó)力的不斷提升，高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國(guó)隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展[1]。雖然近些年我國(guó)在隧道與地下工程領(lǐng)域取得了諸多的成績(jī)，但也有一些亟待解決的問題，巖爆就是其中之一。巖爆是地下工程建設(shè)過程中常見的一類動(dòng)力破壞現(xiàn)象，是由于圍巖中積聚的應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量，多余的能量致使巖石碎片從巷道圍巖中松脫、剝落、崩出[2]。低強(qiáng)度的巖爆表現(xiàn)為圍巖剝離，有聲響，有氣浪，危險(xiǎn)性較小。高強(qiáng)度的巖爆表現(xiàn)為圍巖崩落、彈射，產(chǎn)生較大的粉塵和空氣沖擊波，常常還會(huì)使巖體和地表產(chǎn)生震動(dòng)，和小地震相似[3]。下面對(duì)巖爆的定義、烈度分級(jí)、影響因素、破壞機(jī)理、理論與經(jīng)驗(yàn)判據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)與支護(hù)手段等進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

1 巖爆的定義及類型

1.1 巖爆的定義

對(duì)于地下工程中出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象，行業(yè)背景不同，名稱也不同，比如巖爆和沖擊地壓等。從物理及力學(xué)本質(zhì)而言，巖爆和沖擊地壓在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為是相同的[4]。雖然我國(guó)文獻(xiàn)關(guān)于巖爆的機(jī)制、定義和分類眾說紛紜，不盡一致，但是國(guó)際上研究巖爆的權(quán)威學(xué)者關(guān)于巖爆的定義、機(jī)制和分類是基本相同的。

巖爆是一個(gè)物理現(xiàn)象，所以其定義應(yīng)是現(xiàn)象的描述，以下引述了若干定義和機(jī)制。

巖爆是突然的巖石破壞，其特征是巖石的破碎和從圍巖中突出并伴隨著能量的猛烈釋放。

開挖一個(gè)新地下孔洞或者改變一個(gè)已有孔洞造成圍巖中的應(yīng)力變化，這些應(yīng)力變化能導(dǎo)致孔洞附近巖體的破壞，或者誘發(fā)已有斷裂的滑移；第1類巖爆定義為已有斷裂的滑移，第2類巖爆定義為一定體積的巖石的脆性破壞。

為了發(fā)生斷裂型巖爆，原生的或感生的應(yīng)力水平必須足夠高，以能激活原生的斷層面的運(yùn)動(dòng)，或啟動(dòng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的活動(dòng)，或者在巖體中形成斷裂(新斷層)，巖爆是巖體動(dòng)力破壞的后果。

礦井中動(dòng)力現(xiàn)象(巖爆)的本質(zhì)是圍巖獲得了動(dòng)能。

采礦誘發(fā)的巖爆是與平衡狀態(tài)的失穩(wěn)相連的，包括已有斷裂面的滑移、巖體的破裂。

1.2 巖爆的類型

確定巖爆的類型、發(fā)生特征和關(guān)鍵控制因素，對(duì)于明確巖爆的發(fā)生機(jī)理和應(yīng)對(duì)措施非常重要。對(duì)于巖爆類型的劃分方法，目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。根據(jù)巖爆發(fā)生機(jī)理可分為應(yīng)變型巖爆、構(gòu)造型巖爆、應(yīng)變和構(gòu)造混合型巖爆，若根據(jù)巖體類別可分為均勻巖體巖爆和非均勻巖體巖爆。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究積累和該工程巖爆災(zāi)害的主要特征，按其發(fā)生條件和機(jī)理可將巖爆劃分為兩大類型，即應(yīng)變型巖爆和斷裂型巖爆。

按巖爆發(fā)生部位及所釋放的能量大小，將巖爆分為三大類型:①洞室圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆；②礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆；③斷層錯(cuò)動(dòng)引起的巖爆。從巖爆形成的內(nèi)在因素出發(fā)，將巖爆類型劃分為水平構(gòu)造應(yīng)力型、垂直壓力型和綜合型三大類。武警水電指揮部天生橋二級(jí)水電站巖爆課題組對(duì)巖爆有兩種分類:①按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和爆脫型；②按規(guī)模將巖爆分為零星巖爆（長(zhǎng)度0.5～10 m）、成片巖爆（長(zhǎng)度10～20 m）和連續(xù)巖爆（長(zhǎng)度大于20 m）三大類。根據(jù)巖爆巖體破壞方式，將巖爆劃分為爆裂彈射型、片狀剝落型和洞壁垮塌型三大類。

迄今為止，在國(guó)內(nèi)的巖爆類型劃分影響最大，首先根據(jù)巖爆巖體高地應(yīng)力成因和最大主應(yīng)力方向，將巖爆類型劃分為水平應(yīng)力型、垂直應(yīng)力型和混合應(yīng)力型三大類，然后依據(jù)具體應(yīng)力條件和巖爆特點(diǎn)，再將巖爆劃分為六個(gè)亞類。

2 巖爆的烈度分級(jí)

巖爆烈度是指巖爆破壞程度，巖爆破壞主要是指地下洞室、礦山坑道遭受巖爆時(shí)巖體或礦體本身產(chǎn)生的直接破壞，以及因此而誘發(fā)的工程區(qū)或礦區(qū)、地面建筑物等的間接破壞。對(duì)于巖爆烈度分級(jí)問題，目前國(guó)內(nèi)外尚有不同的見解，主要依據(jù)與巖爆有關(guān)的單項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)指標(biāo)來劃分。實(shí)際上，巖爆的烈度分級(jí)所要考慮的因素遠(yuǎn)不止一種，而現(xiàn)階段的分級(jí)方式往往不能從多方面進(jìn)行考慮，這也是造成烈度分級(jí)不能達(dá)成共識(shí)的原因。應(yīng)用改進(jìn)的物元可拓理論，選取影響巖爆烈度的主要因素，如洞室最大切向應(yīng)力σθ、巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc、巖石單軸抗拉強(qiáng)度σt以及沖擊傾向指數(shù)Wet，以σθ/σc、σc/σt及Wet作為巖爆烈度評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立巖爆烈度預(yù)測(cè)的改進(jìn)物元可拓模型。建立的巖爆烈度預(yù)測(cè)的改進(jìn)物元可拓預(yù)測(cè)模型更加科學(xué)合理，預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際吻合較好，預(yù)測(cè)精度更高。

3 巖爆的影響因素

巖爆是礦巖受到開挖擾動(dòng)后發(fā)生猛烈破壞的一種自然現(xiàn)象，是礦巖本身力學(xué)性質(zhì)和外界因素組合的結(jié)果。一般包括內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是高地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造等，外因主要是指有關(guān)生產(chǎn)的工藝和技術(shù)。其中高地應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的能量源泉，巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等決定了發(fā)生巖爆的能量聚集和釋放能力。采礦方法、采場(chǎng)巷道的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)、采掘工作面推進(jìn)方向速度、回采順序以及支護(hù)形式等都影響到巖爆的發(fā)生?？傮w而言，巖爆是多種因素導(dǎo)致的結(jié)果，各影響因素之間既獨(dú)立又相互聯(lián)系，并且對(duì)巖爆的影響方式和影響程度也不同。

從深埋隧道中單組結(jié)構(gòu)面對(duì)巖爆的影響，得出如下結(jié)論:在水平主應(yīng)力最大的條件下，直墻半圓拱隧洞的拱頂位置附近以及邊墻墻角的應(yīng)力集中區(qū)為巖爆發(fā)生的高危位置。單組結(jié)構(gòu)面的條件下，巖爆的發(fā)生基本集中于陡傾結(jié)構(gòu)面的位置，結(jié)構(gòu)面緩傾處一般不發(fā)生巖爆。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀會(huì)影響圍巖的破壞模式，緩傾結(jié)構(gòu)面容易誘發(fā)圍巖的彎折破壞，陡傾結(jié)構(gòu)面則更容易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面方向的剪斷或滑移。結(jié)構(gòu)面間距的改變使得結(jié)構(gòu)面與開挖邊界之間的位置關(guān)系發(fā)生改變，從而影響到巖爆。開挖邊界外側(cè)的結(jié)構(gòu)面距離邊界越近，則其附近的應(yīng)力越高，誘發(fā)巖爆的可能性也越大。巖石類別對(duì)巖爆發(fā)生的影響，70%的工程案例巖爆發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ類圍巖中，30%發(fā)生Ⅲ類圍巖中。若按洞段長(zhǎng)度，根據(jù)文獻(xiàn)描述，僅有少量巖爆發(fā)生在Ⅲ類圍巖中，考慮到圍巖質(zhì)量分級(jí)中因高地應(yīng)力而降級(jí)處理和現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)的偏差，巖爆主要發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ類圍巖中。結(jié)構(gòu)面的剪切滑移對(duì)巖爆的影響。開挖方案、開挖速度、埋深情況是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素；相同長(zhǎng)度的隧洞開挖過程中隨著單循環(huán)開挖步長(zhǎng)的增加，能量釋放值不斷增大，巖爆的發(fā)生頻次具有增加的趨勢(shì)。線彈性能判據(jù)、巖石脆性系數(shù)判據(jù)和陶振宇判據(jù)的結(jié)果表明，礦區(qū)深部常見巖石均具有一定程度的巖爆傾向性。

4 巖爆的預(yù)測(cè)和防治措施

4.1 巖爆的預(yù)測(cè)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用各種方法對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，綜合總結(jié)了一些對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)方法。針對(duì)巖爆監(jiān)測(cè)研究的不足，開展了完整硬巖巖爆單軸壓縮試驗(yàn)及全過程超聲波監(jiān)測(cè)，分析了完整硬巖巖爆破壞特征及超聲波前兆規(guī)律，探討了完整硬巖巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。以工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，綜合分析隧道工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境及鄰近工程實(shí)測(cè)地應(yīng)力成果，利用工程類比和三維數(shù)值反演方法獲得隧道工程區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)。選取隧道橫斷面作平面應(yīng)變分析，計(jì)算獲得開挖后隧道沿線圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)。利用修改后的巖爆判據(jù)對(duì)隧道全段進(jìn)行巖爆狀態(tài)預(yù)測(cè)?；跊Q策樹模型對(duì)巖爆烈度進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于證據(jù)理論對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)法、陶振宇判據(jù)法和Hoek判據(jù)法對(duì)隧道巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。當(dāng)巖體內(nèi)部多次發(fā)出沉悶如雷很嚇人的響聲，即是大規(guī)模巖爆發(fā)生預(yù)兆，如多個(gè)地點(diǎn)發(fā)出，很可能在此范圍產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。巖體工程表面發(fā)出清脆響聲是作業(yè)面處立即出現(xiàn)局部巖爆預(yù)兆，新作業(yè)面出現(xiàn)爆皮裂縫宜繼續(xù)關(guān)注，老作業(yè)面長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)此種現(xiàn)象說明其應(yīng)力平衡己結(jié)束。

4.2 巖爆的防治措施

巖爆發(fā)生有兩個(gè)基本條件，①巖體處在高地應(yīng)力場(chǎng)的作用之下；②巖體本身堅(jiān)硬、完整而強(qiáng)度高，能集聚高的彈性能?？刂茙r爆的措施有多個(gè)，如開挖順序、開挖方式、錨固、掛網(wǎng)和噴護(hù)等。

合理的開挖順序可以通過控制和改變圍巖中應(yīng)力變化路徑的方式來減輕甚至消除高應(yīng)力破壞，目前這種工程措施在深埋礦山工程中應(yīng)用非常廣泛。選擇開挖方式在圍巖高應(yīng)力破壞不是很突出的情況下顯得尤為重要，這是因?yàn)楦邞?yīng)力條件下圍巖的變形和支護(hù)要求基本都是圍繞著圍巖屈服圈進(jìn)行的，控制爆破、特別是TBM施工在控制圍巖屈服松弛圈程度和深度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在高應(yīng)力脆性破壞趨勢(shì)條件下的錨固、掛網(wǎng)、噴漿加固措施是深埋高應(yīng)力條件下地下工程開挖時(shí)常常采用的措施。高應(yīng)力條件下巖體越完整、堅(jiān)硬，其儲(chǔ)存應(yīng)力的能力越強(qiáng)，一旦發(fā)生高應(yīng)力破壞，產(chǎn)生很大影響和劇烈震動(dòng)。因此不能用常規(guī)條件下的巖體質(zhì)量來衡量加固的需要。在高應(yīng)力條件下，緊跟掌子面的支護(hù)是非常必要的，只有這樣才可能創(chuàng)造一個(gè)安全的施工環(huán)境。緊跟掌子面的加固主要采用兩種方式:①掛網(wǎng)和錨固組成的快速臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)；②噴層加錨固組成的快速支護(hù)系統(tǒng)。引水洞采用中空注漿錨桿，與通常使用的普通螺紋鋼錨桿類似，屬于剛性錨桿。錨桿的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、剛性大、支護(hù)力強(qiáng)，缺點(diǎn)是承受變形能力和吸收能量的能力不足。在使用這類錨桿時(shí)應(yīng)充分考慮到其不足之處，避免使用不當(dāng)導(dǎo)致錨固體損壞。

由于巖爆的危害較大，所以在工程施工中，對(duì)巖爆的防治一定要及時(shí)，防止因?yàn)閹r爆危害而發(fā)生較大的損失。

5 結(jié)語

目前，在對(duì)巖爆的研究中，忽視了對(duì)有巖爆傾向性開挖空間的有效防護(hù)理論與技術(shù)的研究，對(duì)巖爆防治措施的研究相對(duì)較少。在強(qiáng)調(diào)高應(yīng)力誘發(fā)巖爆災(zāi)害的同時(shí)，忽視了高應(yīng)力承載硬巖有可能帶來的在采場(chǎng)礦巖破碎方面的優(yōu)勢(shì)，以及由此產(chǎn)生的誘導(dǎo)致裂技術(shù)可應(yīng)用性的認(rèn)識(shí)和研究。