岩爆监测方案大纲

1 ABH 项目项目 TBM 施工条件下的岩爆实时监测施工条件下的岩爆实时监测 研究工作大纲 初稿 研究工作大纲 初稿 一 研究工作意义和目的一 研究工作意义和目的 岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中 硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞 壁应力分异 储存于岩体中的弹性应变能突然释放 因而产生爆裂松脱 剥落 弹 射甚至抛掷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 早些年 我国地下采矿中的岩爆灾害并不十分突出 随着采掘作业不断向 地下进行 许多矿山已相继进人深部开采 岩爆现象日渐显露 岩爆事故时有 发生 随着深井开采的矿井的逐年增多 岩爆问题将更加突出 加快岩爆检测 预警系统的研究与开发工作十分迫切 岩爆灾害已引起国家安全管理部门的高 度重视 其预测与检测技术被列为 十五 期间矿山安全科技发展的重点领域 和关键技术 近几十年来 国内外在岩爆预测预报方面做丁大量的研究工作 但是 由 于岩爆预测问题极为复杂 国内外还没有成熟的理论和方法 现在 人们已从 强度 刚度 稳定 断裂 损伤 突变 分形和能量等诸多方面对岩爆现象进 行了分析 提出了各种假设和判据 在岩爆预测预报工作中 也果用了有限元 计算 模糊综合评判 人工神经网络等近现代方法 然而 目前基于岩爆理论 和岩爆破坏机制而提出的各种理沧预测方法 在实际工程应用中还存在困难 而在生产实践中 又要求有一些有救 可行的岩爆预测预报方法 如果能对可 能发生的岩爆进行合理 及时的预报并有针对性地采取防治措施 就可以减少 或杜绝人员伤亡和财产损失 因此 岩爆预测的研究具有十分重要的意义 随着人类活动向地下空间的延伸 在高地应力区修建的水电站地下厂房 隧洞等地下工程越来越多 其埋深也越来越大 随之而来的岩爆现象也越来越 突出 据不完全统计 从 1949 年 1985 年 在我国 32 个重要煤矿中 至少曾 经发生 1842 起煤爆和岩爆 在一些严重的岩爆发生区 曾有数以吨计的岩块 岩片和岩板抛出 在水电工程中岩爆也频繁发生 如二滩 映秀湾 渔子溪 2 太平驿 锦屏 天生桥二级等水电站的地下工程在修建过程中都发生过不同程 度的岩爆 根据文献检索 目前世界上大约有 18 个国家和地区已有大型岩爆发 生 所以岩爆已经成为全球性的地质灾害 1 岩爆发生条件分析 1 1 岩爆产生的条件岩爆产生的条件 1 近代构造活动山体内地应力较高 岩体内储存着很大的应变能 当该 部分能量超过了硬岩石自身的强度时 2 围岩坚硬新鲜完整 裂隙极少或仅有隐裂隙 且具有较高的脆性和 弹性 能够储存能量 而其变形特性属于脆性破坏类型 当应力解除后 回弹 变形很小 3 埋深较大 一般埋藏深度多大于 200m 且远离沟谷切割的卸荷裂隙 带 4 地下水较少 岩体干燥 5 开挖断面形状不规则 大型洞室群岔洞较多的地下工程 或断面变化 造成局部应力集中的地带 1 2 地质构造地质构造 岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中 岩爆与断层 节理构造密切相关 当掌子面与断裂或节理走向平行时 极 容易触发岩爆 岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响 掌子面岩体中有大量岩脉 穿插时 也可能发生岩爆 1 3 判断岩爆发生的应力条件判断岩爆发生的应力条件 用天然应力中的最大主应力 1 与岩块单轴抗压强度 Rc 之比进行判断 经 验公式 1 Rc 0 165 0 35 或 Rc 1 6 06 2 86 的脆性岩体最易发生岩爆 Rc 1 4 7 为高地应力 Rc 1 0 55 时岩体为较完整岩体 是其岩爆 发生的有利条件 根据有关文献可选择岩体完整性系数 Kv 作为岩爆的判别指 标 一般认为 Kv 0 55 时无岩爆发生 0 55 Kv 0 75 时可发生严重岩爆 岩体完整性系数 Kv 计算公式 6 1 式中 Vp 为岩体的纵波波速 Vd 为岩块的纵波波速 通过 TSP 探测的岩体纵波波速值 再结合岩石的纵波波速值 即可确 定预测洞段的值 考虑到 TSP 系统探测的准确性及岩爆发生的复杂性 在实际 岩爆判别时 以岩体值为主 结合横波资料 泊松比 纵横波偏移图等参数 对掌子面前方岩爆情况进行综合判定 基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究 邱道宏 李术才 张乐文 崔 伟 苏茂鑫 谢富东 贾愚如 范正绮 水工地下洞室中的岩爆机制与判据 J 水力发电 1990 6 30 34 陈祥 孙进忠 张杰坤 等 岩爆的判别指标和分级标准及可拓综合判别 方法 J 土木工程学报 2009 42 9 82 88 二 国内外开展岩爆实施监测的现状二 国内外开展岩爆实施监测的现状 2 1 岩爆现场监测方法岩爆现场监测方法 用于工程实践的现场岩爆监测方法有很多种 目前常用的有以下几种 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 7 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 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 时 岩石体积便 会出现陡然增大 这一现象被称为 扩容 现象 Bineniawskj 在理论和实践研 究的基础上建立了扩容模型 Fajkiewicz 用该模型解释了微重力异常与岩爆发 生前作用过程的相互关系 岩石在应力作用下从压缩状态到发生扩容直至岩爆 这一整个过程可以表述为 岩石的体积从大变小 再由小变大 直到岩爆发生后 出现破坏 因此 微重力异常的变化应该是由正到负 在临爆前出现负重力异 常极值 实验观察表明 较突出的重力负极值一般出现在岩爆发生前的几天到 数周 这样 可以作为用微重力测量预测岩爆的一个准则 即临爆前微重力负 异常持续增大并达到一个负极值 此外 还可断言 若重力异常长时间地保持 在正异常的水平 则岩爆不可能发生 因为这种异常表明岩石尚处于变形阶段 波兰在过去的近 20 年中 在多个矿区完成了 1 万多个测点的微重力测量工作 在对这些微重力测量结果解释的基础上 有效地研究和探讨了利用微重力预测 岩爆的可行性 并且在矿区的实际应用中取得了一定的效果 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 这一方法首先由俄罗斯学者提出 我国王来贵博士等人也在开展具体应用研究工作 目前该方法主要应用于煤爆 的监测预报领域 4 地震学预测法 采用地震学的方法预测岩爆也是一种应用较多的方法 其基本原理是岩爆 8 释放的地震能的均方根与地震发生前岩体的应变状态呈比例关系 由于在弹性 极限内应力与应变之间存在比例关系 可用地震能的平方根来量度地震 岩爆 发生前岩体中积聚的应力 印度 Kolar 黄金公司黄金矿山使用地震学方法 能 提前 6 个月预测某指定地区岩爆的总体情况 从印度 Kolar 金矿所测的 3500 次 和南非西部金矿 1200 次信号统计得出 其中 15 为破坏性岩爆信号 对破坏性 信号产生点的确定 精度很高 与实际情况相比误差只有 20 25m 加拿大的 各矿山都有先进完备的地震监测系统 对矿井岩爆发生的时间 震源 震级及 能量等重要信息都有完整的记录 有些矿井的记录甚至从 30 年代就已开始 这 些记录为以后对岩爆的估计提供了宝贵的资料 加拿大几乎都是根据这些地震 记录 然后应用比较完善的地震预测理论对岩爆作出预测 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 该方法 20 世纪 60 年代在欧洲开始使用 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 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 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 9 国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势 姜繁智 向晓东 朱东升 2 2 TBM 条件下国内岩爆监测开展情况条件下国内岩爆监测开展情况 国内岩爆监测主要在煤矿开展 一些金属矿及水电隧洞也有开展 从方法 上来看 以微震监测为主 还有岩土工程数值分析方法 电磁辐射法 TSP203 系统和地应力场反演法 声发射检测法 工程地质调查 地应力场现场实测及 岩石力学试验结合法等等 TBM 施工中岩爆监测目前能查到的资料主要是以锦屏 II 水电站施工中的应 用为主 锦屏 II 水电站位于雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上 由平行的 4 条 引水隧洞 2 条辅助洞及 1 条施工排水洞组成 是目前世界上最大的地下隧洞 群 永久工程隧洞总长约 120km 4 条引水隧洞组成的水工洞群采用钻爆法和 TMB 相结合的施工方案 西端引水隧洞和东端 2 4 引水隧洞采取钻爆法施工 东端 1 3 引水隧洞采用 TBM 施工 开挖洞径 12 4m 引水隧洞上覆岩体一般埋深 1500 2000m 最大埋深约为 2525m 冯夏庭 和周辉的地应力成果显示 埋深大于 1200m 时 地应力场由谷坡地带局部地应 力转变为以垂直应力为主的自重应力场 地应力随埋深的增加而增加 工程区 的最大主应力可达 63MPa 属高地应力区 而较为突出的岩爆现象则是其最具 体的体现 通过已贯通的辅助洞及开挖完成的施工排水洞洞段的岩爆情况 预 测引水隧洞发生强烈量级的岩爆洞长约 2 0km 发生极强量级的岩爆约长 0 3km 而极强岩爆对 TBM 的打击可能是毁灭性的 得到的结论 随着 TBM 施工速率的增加 围岩微震活动趋向活跃 随着 TBM 施工速度 降低 围岩微震活动有明显降低的趋势 TBM 检修期微震活动较为平缓 围岩 处于平静期 施工至掌子面前方 4 10 m 时 微震活动最为活跃 在 TBM 开 挖过程中能量释放具有一定的随机性 与 TBM 开挖进尺无明显关系 三 岩爆监测研究工作安排三 岩爆监测研究工作安排 10 1 国内调研 2 研究工作技术依托单位 重点解决监测数据的后处理和分析预报技术 3 监测设备选择 国内外监测设备的调研 选择 四 监测方案的实施四 监测方案的实施 1 监测实施方案的设计 2 监测数据采集 3 研究成果的整理分析 4 监测预报成果的提交 5 监测实施组织 五 研究工作时间安排及费用计划五 研究工作时间安排及费用计划 岩爆综合预测方法尚处于摸索阶段 但是已总结出岩爆预警思路 经验法 中短期 微震监测 短期 数值分析 中长期 5 采用微震计数器 警 报器 数据记录仪 室内分析 6 加强施工期监测和地质预报 在施工期进行必要的围岩监测 如微震监测 变形监测 应力监测和松动 圈测试等 收集岩爆发生前后的各种围岩物理力学参数 并加以总结分析 4 另外就是 TBM 配置用 BEAM 隧道掘进前方电监测 技术 实时了解掌子面围岩状 态 图 2 为微震事件数与 TBM 日进尺的演化规律 可见看出 TBM 开挖速度越快 围岩体的应力调整活动越剧烈 微震系统监测 到的微震事件越多 发生岩爆的风险越高 TBM 日进尺小于 9 m 时 微震事件低于其平均值 18 9 个 d 且在支护及时 起效快的情况下 强岩爆发生几率相对较小 TBM 日进尺小于 5 m 时 微震活动较低 微震事件基本低于 10 个 d 在地质条件较好 支护及时 起效快的 11 情况下 发生中等岩爆的风险相对较低 以 2010 年 5 月 28 日至 8 月 21 日为例 1 d 内不同时间段累计 微震事件时域内演化规律见图围岩体的应力调整在每天早上 8 点至 下午 2 点处于平静期 该期间为 TBM 检修时间 围岩体不受开挖 扰动的影响 围岩体的应力调整处于一个相对平静期 其中在上午 8 10 点围岩体的应力调整略高于上午 10 至下午 2 点 这是因为 TBM 开始检修的 2 h 内 应力调整较为活跃 致使围岩微破裂信号 较多 微震事件较多 从下午 2 点起 围岩体的应力调整开始逐渐 进入活跃期 晚上 6 点至晚上 9 点 应力调整的幅度最为剧烈 这 是因为在 TBM 检修期间围岩体