岩爆

岩爆研究进展及发展趋势文章框架•岩爆机理研究•岩爆判据•岩爆的现场预测方法•岩爆防治•岩爆研究存在的问题及发展趋势岩爆•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。岩爆机理研究•强度理论•刚度理论•能量理论•断裂损伤理论•岩爆倾向理论强度角度能量角度自身角度强度理论•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σ与其强度σ'的比值，即σ/σ'≥1时，导致岩爆发生。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。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。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。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。岩爆判据•E.Hoek方法•Turchaninov方法•Russense判据•陶振宇判据•Kidybinski方法•岩体RQD值判据强度角度自身角度能量角度秦岭隧道判据方法谷–陶岩爆判据修改E.Hoek方法•式中：σmax为隧洞断面最大切向应力，Rc为岩石单轴抗压强度。0.34（少量片帮，Ⅰ级）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）σmax/Rc=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σθmax和轴向应力σL之和与岩石单轴抗压强度Rc之比确定：（σθmax＋σL）/Rc≤0.3(无岩爆)0.3＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.5(可能有岩爆)0.5＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.8(肯定有岩爆)（σθmax＋σL）/Rc＞0.8(有严重岩爆)Russense判据•Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ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：σθ/Rc＜0.20(无岩爆)0.20≤σθ/Rc＜0.30(弱岩爆)0.30≤σθ/Rc＜0.55(中岩爆)σθ/Rc≥0.55(强岩爆)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/σ1＞14.5，则不会发生岩爆；当Rc/σ1≤14.5，则会发生岩爆，并将岩爆分为4级，如下表所示，(σ1为最大主应力)。岩爆分级Rc/σ1说明I＞14.5无岩爆发生，也无声发射现象II14.5～5.5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IV＜2.5高岩爆活动，有很强的爆裂声Kidybinski方法•Wet为弹性应变能与耗损应变能之比，即Wet=Φsp/Φst式中：Φsp，Φst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：Wet≥5(强烈岩爆)Wet＜2.0(无岩爆)Wet＝2.0～2.9(中等岩爆)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，σ1/Rc值大部分介于0.2～0.5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%。秦岭隧道判据方法•谷明成通过对秦岭隧道的研究提出以下判据：Wet≥2.0σθ≥0.3RcRc≥15RtKv≥0.55谷–陶岩爆判据σ1＞0.15Rc(力学要求)Rc≥15Rt(脆性要求)Kv≥0.55(完整性要求)Wet≥2.0(储能要求)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。•微震(A-E)法•微重力法•电磁辐射监测预报法•地震学预测法微震(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。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。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。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。岩爆防治•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。施工阶段•(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。•(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5～10min，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10m；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30～50m超前导洞，导洞直径可不大于5m，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。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。岩爆研究的发展趋势•(1)金属矿山岩爆发生机制研究。•(2)采场地压与岩爆监测预报技术研究。•(3)岩爆巷道支护与采场岩层控制技术研究。•(4)岩爆防治措施的研究。•(5)岩爆无害化诱导技术的研究。谢谢观看