岩爆研究进展及未来趋势.doc

岩爆研究进展及未来趋势（武汉理工大学，湖北 武汉 430000）摘 要：从岩爆形成机理、岩爆判据、岩爆预测和岩爆防治措施4方面阐述了国内外岩爆研究的现状及进展，指出了目前岩爆研究存在的几个问题以及发展趋势。关键词：岩爆机理；岩爆判据；岩爆预测；岩爆防治中图分类号：O 38；TU 45 文献标识码：B 文章编号：1671-4431 (2014) xx-xxxx-xxThe Research Progress and Future Trend of Rockburst (Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China)Abstract：The article elaborates the domestic and foreign present situation and progress of rockburst from the four aspects including mechanism，criteria，prediction and prevention and controlled measures of rockburst，pointing out several problems of the rockburst research and development trend.Key words：rockburst mechanism；rockburst criteria；rockburst prediction；rockburst control 1 引言岩爆是高地应力条件下地下岩体工程开挖过程中，由于开挖卸荷引起围岩内应力场重新分布，导致储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力失稳地质灾害，它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。2 岩爆机理研究2.1强度理论早期的强度理论着眼于岩体的破坏原因。认为地下井巷和采场周围产生应力集中，当应力集中的程度达到矿岩强度极限时，岩层发生突然破坏，发生岩爆。近代强度理论认为：导致岩体承受的应力与其强度的比值，即/1时，导致岩爆发生。2.2能量理论20世纪60年代中期，库克等人在总结南非金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理论。他们指出：随着采掘范围的不断扩大，岩爆是由于岩体-围岩系统在其力学平衡状态破坏时， 系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。2.3刚度理论20世纪60年代中期，Cook和Hodgei发现，用普通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而不猛烈，并且有可能得到应力-应变全过程曲线。他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚度大于试验机(即加载系统)的刚度。20世纪70年代Black将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题。认为矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现了柔性加载条件。在他的研究中也引入了刚度条件，并且明确认为矿山结构的刚度是峰值后载荷-变形曲线下降段的刚度。2.4岩爆倾向理论岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条件。用一个或一组与岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论。2.5失稳理论失稳理论是将围岩看成一个力学系统，将岩爆当作围岩组成的力学系统的动力失稳过程。岩石在已具备大量弹性应变能及峰值强度以后处于非稳定的平衡状态，在干扰性因素如洞室的开挖、地震、围岩振动等因素的影响下，岩石会失稳。因此，可将稳定性理论应用于岩爆判据分析，干扰性因素是岩爆形成的触发因素。2.6断裂损伤理论近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大的影响，运用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。损伤理论是通过建立岩石材料的损伤本构模型，把岩石的破坏过程看成岩石的损伤积累过程。损伤积累到一定程度，就出现了宏观裂纹，如此时损伤继续积累，就可能产生应变软化现象从而导致岩石储存应变能的能力降低，出现弹性应变能的释放，如多余能量向外部传递，就会引起岩爆。2.7分形理论尽管岩爆所经历的物理过程相当复杂，但数学上，它仅是一个分形集聚几何过程。远在岩爆发生之前，微地震事件几乎均匀地分布在高应力区，对应着高的分形维数值，接近岩爆发生时，微地震事件集聚式地发生，对应较低的分形维数。这就是岩爆的分形几何机理。2.8突变理论所谓突变是指从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态，或者说在系统演化中， 某些变量的逐渐变化导致系统状态的突然变化。突变理论的一个显著优点是，即使在不知道系统有哪些微分方程，更不用说如何解这些微分方程的条件下，仅在少数几个假设的基础上， 用少数几个控制变量便可预测系统的诸多定性或定量性态。3 岩爆判据为了判断洞室或隧洞(隧道)在何种情况下发生岩爆以及若可能发生岩爆时其严重程度如何，国内外学者提出了许多岩爆判据和岩爆分级。 3.1 E. Hoek 方法 0.34（少量片帮，级）max/Rc=0.42（严重片帮，II级）0.56（需重型支护，III级）0.7（严重岩爆，IV级）式中：为隧洞断面最大切向应力，为岩石单轴抗压强度。3.2 Turchaninov 方法(T方法) Turchaninov 根据科拉岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应力和轴向应力之和与岩石单轴抗压强度之比确定：（maxL）/Rc0.3(无岩爆)0.3（maxL）/Rc0.5(可能有岩爆) 0.5（maxL）/Rc0.8(肯定有岩爆) （maxL）/Rc0.8(有严重岩爆) 3.3 Kidybinski 方法：弹性能量(应变能)指数Wet判据(主要根据煤的试验)Wet为弹性应变能与耗损应变能之比，即Wet=sp/st式中：sp，st分别为试块的弹性应变能和耗损应变能，均由试块加、卸载应力应变曲线中的面积求出。Wet判据如下：Wet5(强烈岩爆) Wet2.02.9(中等岩爆) Wet2.0(无岩爆) 3.4 Russense 判据/Rc0.20(无岩爆)Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力与岩石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc ，并根据岩爆烈度关系图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：0.20 /Rc0.30(弱岩爆)0.30 /Rc0.55(中岩爆)/Rc0.55(强岩爆)3.5岩体RQD值判据中国学者把岩体的RQD(岩体质量指标)值大于60%作为岩爆发生时的判据。有资料表明，1/Rc值大部分介于0.20.5之间，其出现频率与总事件数为66%，岩爆发生时其比值一般大于0.2，其出现频率与总事件数82%。3.6 秦岭隧道判据方法Rc15Rt谷明成通过对秦岭隧道的研究提出以下判据：Wet2.00.3RcKv0.55式中：Rt为岩石的单轴抗拉强度，为隧道洞壁最大切向应力，Kv为岩体完整性系数。只要同时满足上式就会发生岩爆。考虑发生岩爆的条件比较完善。3.7 陶振宇判据及其岩爆分级 陶振宇在前人(Russens，Turchaninov等)研究基础上，结合国内工程经验，提出当Rc/114.5，则不会发生岩爆；当Rc/114.5，则会发生岩爆，并将岩爆分为4级，如表1所示，(1为最大主应力)。表1 陶振宇提出的岩爆分级表岩爆分级Rc/1说明I14.5无岩爆发生，也无声发射现象II14.55.5低岩爆活动，有轻微声发射现象III5.5 2.5中等岩爆活动，有较强声发射现象 IV2.5高岩爆活动，有很强的爆裂声 3.8 对岩爆判据和岩爆分级的商榷 国内外众多岩爆研究成果和大量岩爆实际资料和试验数据表明：发生岩爆，除了岩体应力(地应力或初始应力)必须大于岩石单轴抗压强度的某一百分数之外，岩石还应该是脆性的、坚硬和完整的或比较完整的，同时岩石的弹性应变能需要比岩石破坏耗损应变能大很多。反之，不会发生岩爆。10.15Rc (力学要求) 分析以上有代表性的判据可看出：谷明成提出的岩爆判据满足上述发生岩爆需要具备的10.15Rc (力学要求) 诸项条件。但是，其 0.3Rc 是根据秦岭隧道围岩片麻岩强度高的具体情况所得到的，其发生岩爆的条件偏高。陶振宇提出的Rc/114.5 就发生岩爆，是很例外少有的情况，是偏低的，已被我国工程实例证实。但是，大多数判据都是以洞室围岩的环向应力和径向应力来表达的，在使用有限元软件进行分析时需要进行坐标变换，因此十分不便。陶振宇提出了基于最大主应力的判据，是其优点。根据国内外大量岩爆统计资料表明：最大主应力1(0.150.20)Rc，则极易发生岩爆。为克服上述两判据判别发生岩爆的条件偏高和偏低，把两判据结合起来，去掉两者不足之处，形成修改后的谷陶岩爆判据和岩爆分级如下。修改10.15Rc (力学要求) 后的谷陶岩爆判据为 Rc15Rt (脆性要求) Kv0.55 (完整性要求) Wet2.0 (储能要求) 修改后建议的岩爆分级如表 2 所示。 表2 修改后建议的岩爆分级表岩爆分级判别式 说明I10.15Rc 无岩爆发生，无声发射现象II1（0.150.2）Rc低岩爆活动，有轻微声发射现象III1（0.200.40）Rc中等岩爆活动，有较强声发射现象IV10.40Rc高岩爆活动，有很强的爆裂声 4岩爆的现场预测方法岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆发生的时间、地点、烈度等信息。应用于工程实践的现场预测预报方法有很多种，目前常用的有以下几种：4.1微震(A-E)法即Acoustic-Emission方法，又称为亚声频探测法或声发射法。该法能探测到岩石变形时发生的亚声频噪音(即微震)，地音探测器(拾音器)能将那些人耳听不到的声波转化为电信号，根据地音探测器检测到的微细破裂，确定异常高应力区的位置，再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比较，从而确定该应力的传播方向，当岩石临近破坏之际，A-E(微震)噪音读数迅速增加，如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有岩爆来临。此法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验观测结果，它是对岩爆孕育过程最直接的监测方法，也是最直接的预报方法。此方法的基本参数是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄就意味着有1个暂时的声发射平静期，因此，A-E活动的暂时平静，是岩爆发生的前兆。由于此方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位预报，因此，是1种具有很大发展前景的直接预报方法。美国、波兰、俄罗斯、南非等国家的一些矿山都采用了声发射法用于预测岩爆；我国的门头沟煤矿也使用了从波兰进口的SAK地音监测系统和SYLOK微震定位技术对工作面危险状态进行预测预报。4.2微重力法岩石力学研究表明，脆性岩石在应力作用下，其力学参数会出现显著的变化，一旦岩石受到的应变超过其临界限时，岩石体积便会出现陡然增大，这一现象被称为“扩容”现象。一般情况下，在发生震动和岩爆前，岩体的体积将会变化，从而使岩体密度改变，根据岩体的变形，重力强度的变化，以及密度分布的变化可以预测具有岩爆倾向的地带。微重力法能及早预测岩爆，且预测范围较广，但其成本较高，测量位置不精确。4.3煤(岩)体电磁辐射监测预报法这一方法是依据完整煤(岩)压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲”信号，通过数据处理和分析研究，来预报煤(岩)爆。电磁辐射法的突出优点是工程量少，对生产影响小，可实现连续、非接触、定向及区域性(空间上)预测预报。因此，电磁辐射法是一种很有发展前途的岩爆预测方法。4.4地震学预测法地震技术是研究挖掘围岩体变化的少数方法中的一种，其中重要的一方面是用安置在岩石上的地震传感器网来确定破坏源，利用波辐射的分析来研究岩石的剧烈破坏。在建立了地震台网监测系统的矿山可以利用连续的、长时期的微震监测数据进行分析，总结微震事件的时间序列和空间分布规律，找出地震学参数和地震活动与岩石破坏之间的明确的可以承认的关系模式，进而找出发生岩爆危险的趋势，圈定岩爆危险的大致区域。地震法的特点是能够连续不间断地测量和记录，可以记录震动的最小能量，可以根据研究区域的特点和所给条件，对震源进行准确定位。但是该方法需要布置地震监测网，费工费时。另外，对于炮采矿井及地壳运动剧烈的矿井，使用该方法往往不能区分地震、岩爆、冒顶及爆破施工。4.5钻屑量法钻屑法是通过向岩体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和打钻过程中各种动力现象，了解岩体应力集中状态，达到预报岩爆的目的。在岩爆危险地段打钻时，钻孔排粉量剧增，最多可达正常值10倍以上，一般认为排粉量为正常值的2倍以上时，即有发生岩爆的危险。这种方法的准确性也不是很高，易受人工及煤岩体的结构、应力分布不均匀和不稳定的影响。4.6水分法通过钻孔取样测定岩体中的含水量。此法主要用于煤矿，监测煤层中含水量的变化，可以预报岩爆。在煤矿中，当煤层含水量大于3%时，认为无岩爆危险。4.7光弹法当某些塑性材料和光弹玻璃受到应力的作用，在偏振光下观察时可以看到干涉条纹，其与作用在岩体上的应力强度和方向有关。基于此，可对即将来临的岩爆做出预测。此法适用于具有良好弹性的岩石，预应力技术受到钻孔深度的限制。4.8流变法根据岩体的应力松弛速度和破坏程度来预测岩爆，应力松弛速度取决于岩石的力学性质、地质条件、应力集中和埋深等因素。当应力松弛速度低且破坏程度高时，岩体有岩爆的可能。其他常用的工程现场预测方法还有回弹法、电阻法、观察法等等。5 岩爆防治 5.1 设计阶段 首先，在隧道线路选择中，应该尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区。 其次，当难以避开高地应力集中地区时，要尽量使隧道轴线与最大主应力方向平行布置，以减小应力集中系数，防止发生岩爆或能够降低岩爆级别。再次，隧道断面选择尽可能用圆形，不可能时可用城门洞形(即上圆下方形) ，使隧道断面有利于减少应力集中。5.2 施工阶段 目前，我国隧道、地下洞室在施工过程岩爆防治措施主要有以下几方面： (1) 改善围岩物理力学性能。在掌子面(开挖面)和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。根据王贤能研究，对于煤等非坚硬岩体，采用超前钻孔高压均匀注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。对于具有高地应力的坚硬岩体来说，岩体内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“地震”，结果往往起不到应有的软化围岩作用。钻孔注水的有效性在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论的。在此高地应力区，注水后其封闭应力可能以岩爆的方式释放。 (2) 改善围岩应力条件。根据国内外工程实践经验，岩爆洞段尽量采用钻爆法施工，短进尺掘进；减小药量，控制光面爆破效果，以减小围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发岩爆的可能性；采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。 目前，不少学者推荐用分部开挖的方式减少岩爆的发生，但根据数值分析结果，增加开挖的次数并不有利，多一次开挖就多一次遇到岩爆的机会，甚至会发生剪切破坏岩爆。这是值得商榷的。 (3) 加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施。对于低岩爆，可实施全断面光面爆破开挖；爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔510 min ，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10 m；打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射混凝土初期支护。对于中等岩爆，除实施全断面光面爆破开挖外，必要时可作 3050 m超前导洞，导洞直径可不大于5 m ，作为岩爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷射混凝土初期支护；设置径向系统锚杆。对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体网；进行3次三循环喷混凝土；格栅钢架支撑等措施。 6岩爆研究存在的问题及发展趋势6.1岩爆研究存在的主要问题(1)在强调对岩爆机理与预测预报研究的同时，忽视了对有岩爆倾向性开挖空间的有效防护理论与技术的研究，对岩爆防治措施的研究相对较少。(2)在强调高应力诱发岩爆灾害的同时，忽视了高应力承载硬岩有可能带来的在采场矿岩破碎方面的优势，以及由此产生的诱导致裂技术可应用性的认识和研究。(3)在强调深井岩爆问题的同时，忽视了这类基础性研究必须同采矿工艺技术相结合， 化害为利，实现深井采矿技术的革新。6.2岩爆研究的发展趋势据不完全统计，目前我国有3/5的矿山因资源枯竭而接近尾声或已闭坑，其余2/5的矿山将陆续转入深部开采。深井的高应力是诱发岩爆的重要原因，由于岩爆发生机理与诱发因素的复杂性和岩爆显现的突发性及随机性，岩爆预测与控制的研究还远不能满足深井安全开采的要求，所以，今后岩爆研究的工作重点将是深井岩爆。应在已取得研究成果的基础上， 从以下几个方面展开深入研究。(1)金属矿山岩爆发生机制研究。包括矿山深部矿段的工程地质条件评价；深部矿区地压显现特征；岩爆诱发的内在机制及物理实质，特别是外源如爆破等对岩爆的直接影响。(2)采场地压与岩爆监测预报技术研究。包括现场岩体声发射特征的实验；岩爆及采场地压岩体声发射监测预报方法；地压与岩移联合监测技术与分析方法；通过研究建立多通道矿山微震监测系统及相关数据获取技术。(3)岩爆巷道支护与采场岩层控制技术研究。包括岩爆巷道破坏机制与支护机理研究；岩爆巷道支护结构与支护材料性质研究；支护结构参数优化与支护效果的检测；钢纤维喷射混凝土作为新型抗岩爆支护材料及支护方式的研究。(4)岩爆防治措施的研究。岩爆防治措施的研究包括岩爆倾向性的数值模拟；采场布置方式与开采顺序优化；采矿方法优选和采场结构参数优化；局部高应力区岩爆的防治措施。(5)岩爆无害化诱导技术的研究。深井高应力有它诱发岩爆的不利方面，但也有可利用的方面。在矿床开采过程中，落矿作为主要采矿工艺可以利用高应力所具有的碎裂诱变特性， 来能动地控制矿石块度、改善破碎质量。研究包括高应力条件下坚硬矿岩的碎裂诱变机理；高应力矿岩