巖爆的危害及在線監測

胡學敏，陽 俊

（湖南有色金屬職業技術學院，湖南 株洲 412000）

經過大量研究數據表明，巖爆災害的發生地一般都是高地應力區域，并且多數出現于較為干燥完整的硬脆性的巖體中。同時伴隨著挖掘深度的增加，巖爆災害的概率、危害程度也會隨之增加，對各大工程的安全生產構成了嚴重的威脅。輕微的巖爆會導致巖石成片狀脫落，并不會出現彈射情況；重大巖爆發生時會有4.6 級地震時的感覺，強烈度高達8 度，并且還會對周圍地面上的建筑物帶來損害，聲響巨大。

1 巖爆簡介

巖爆是礦業、隧道等工程中圍巖體突然遭到破壞所致，在該過程中，巖體中應變能會在瞬間得到釋放，從而導致巖石產生破裂最后失穩。

巖爆在地下挖掘深度較深的工程中出現頻數較多，其屬于一種動力破壞現象，如果巖體中堆積聚集的高彈性應變能＞巖石破壞所耗費的能量，那么巖體結構的平衡性能會消失，剩余能量則會致使巖石出現爆裂，巖石碎片會不斷脫落、崩出。

2 巖爆的危害以及發生條件

2.1 巖爆的危害

一般情況下，巖爆的危害主要發生在工程的施工階段，這對相關施工人員的生命安全與設備安全有著嚴重的威脅。巖爆目前是各類巖石地下工程以及巖石力學領域中的世紀性難題[1]。以上個世紀九十年代末期建設的拉平隧洞為例，該隧洞工程位于我國廣西壯族自治區東蘭縣，共出現了三次巖爆，分別是：①在挖掘隧洞時，扒碴機正在施工，此時聽到洞內左側發生了與冰層開裂的聲響，施工人員立即離開操作臺，還未走遠，洞左側墻壁崩出體積25m3的巖石，直接極愛那個扒碴機掀翻、砸壞；②在施工期間，工作人員正在操控鉆孔臺車進行鉆眼時，拱頂突然發出清脆的巖爆聲響，并垂直落下體積大約在5m3左右的石塊，直接將鉆孔臺車臂砸至變形。之后鉆孔臺車還未離開施工現場，設計人員、監理工程師以及眾施工人員正在對圍巖情況進行詳細查看，拱頂又發出噼里啪啦響聲，此響聲大概持續了18s 左右，并掉落體積2m3的石塊，不僅砸在了鉆孔臺車臂上，還砸中了施鉆人員；③施工人員進到洞穴內對巖爆情況進行觀察時，掌子面方向突然發出嘭的響聲，然后掌子面上部爆出數塊1.5kg左右重的塊石，爆出距離均在5m 左右。由此可見，對巖爆災害實施科學有效的措施進行預防或者治理刻不容緩，借此來降低巖爆的發生概率、減輕巖爆的危害性。

2.2 巖爆的發生條件

巖爆災害是人類無法繼續向地球深部進行開拓的主要原因，同時也是工程領域和學術領域所面臨的重大難題。雖然經過眾多專家、學者對該災害上百年的研究探索，最終在巖爆機理、預測預報以及巖爆防治等多個方面獲得了初步成果，但是由于巖爆屬于十分復雜的動力災害現象，從發生到后來的發展會被各種內在或外在因素影響，比如：地質條件、開挖卸荷方式以及隧道斷面形狀等，所以，工程狀況不同，形成巖爆的原因也不同。最終能肯定的是，巖爆發生的原因與地應力和巖性有直接關系，這就跟常規壓力試驗機器中試件受到破壞時所產生的動態過程相同。從發生巖爆的區域取出一塊巖芯，且該巖芯的類型為砂巖，那么將其原有地應力解除之后，將其放置常規性壓力試驗機上進行加載，其就能夠將發生巖爆時的情景重新呈現出來[2]。這主要是由于巖石有著強大的記憶功能，細化來說，就是該砂巖在首次加載時調整至3 兆帕，那么會出現聲發射信號，持續加載的同時，其AE（聲發頻度）也會不斷提升，若是對其卸載后，再次對其進行加載并調整至3 兆帕，此時巖石聲發射信號就會再次出現。如果加載＞20 兆帕時，其AE 數值會上升至最高，即試件破裂程度也會到達極限，此時有勢能的積累以及擴容的積累會共同出現。當高勢能轉變成動能時，擴容速率會超過勢能的累積速率，從而出現迸發爆裂，某些試件的巖塊也會被噴出。所以，總結之后就是地下工程出現巖爆的條件有：有巖爆所需的能源；有積累、擴容高勢能的環境；有高勢能變成動能的媒介。

不僅如此，當出現以下集中情況時，也會發生巖爆災害。即：①山體中地應力偏高，且巖體中保留的應變能較大，大到已經超出了硬巖石本身的強度時；②圍巖具備較強硬度、較高脆性以及較高彈性，且新鮮度、完整度高，無縫隙或者只有隱性裂縫，可以存儲能量，變形性質是脆性破壞類型，在解除應力之后，回彈變形極小；③埋深偏大，超過200m，距離溝谷切割的卸荷裂隙帶較遠；④地下水較為缺乏，巖體較為干燥；⑤地下工程開挖過程中，其斷面形狀不合理，洞室群以及岔洞極多，或者是斷面出現變化從而導致局部應力聚集的區域。

3 巖爆現場在線監測技術

在開采礦山的過程中，應力會不斷集中并致使硐室中圍巖應力出現反復變化與調節，而若是巖體所遭受到的應力＞自身所具備的強硬度時，巖爆災害就會發生。為了能夠對巖爆災害進行合理預測預防，相關工作人員需要對硐室圍巖內部應力的大小變化情況進行及時監測與掌握，用此數據判斷巖體有無受到損傷和受損級別。在線監測技術主要是針對巖體內部應力、變形程度和受損特征進行嚴格監測記錄，從而得出該區域可能會出現巖爆災害的幾率，并對其實施科學合理的措施進行預防或控制，為礦山生產的安全性與穩定性提供有力保障。

近些年，無論是國外還是國內，對巖爆災害進行監測的方式有三種類型：①區域監測。包含微震監測、地音（聲發射）監測以及電磁輻射法等。②位點監測。應用較多的有鉆孔應力監測、頂板離層監測以及鉆屑法等；③綜合監測。其主要是將多個監測方式集為一體，其中多通道聲發射監測與微震監測占據主要地位，應力監測與位移監測對其提供輔助[3]。以聲發射監測儀為例，每個測量點的范圍控制在5m～8m 之間為最佳，兩個相鄰測點的距離不得超過16m，監測時長單次至少為5 分鐘，并對每min 聲響的頻率進行詳細記錄，以五個頻變值中Namx（數值最大的）當做特征值，通常情況下，參考數值如下所示：

Namx 不低于20 次/min，可斷定巖本已經受到了較為嚴重的破壞，此時需要每天監測一次或一次往上；

當Namx 處于每10 次/min 或以上，但是低于20 次/min 的范圍內，那么可判斷出巖體受到了破壞，每天需要監測一次；

Namx 在5 次/min 或 以 上，但 是 低 于10 次/min 的 范圍內，那么巖體則是剛剛受到破壞，可每間隔一天監測一次；

Namx 低于5 次/min 時，可每間隔兩天監測一次。

此外，還需要對地下的惡劣環境進行充分考慮，在選擇地音儀時，應當配備完好的放大器與高效益放大器，并多加查看輸出阻抗和探頭輸出阻抗是否匹配。如果是定性監測，應當配置監聽需要用到的耳機與數字記錄器；如果是定量監測則應當配置高速記錄與磁帶記錄器。

但是，區域監測中的方式對于范圍面積較大的礦震現象可以進行監測，然而卻無法做到對震源進行精準定位，并且反應震動能量高低時形式太過單一，極易受到各種因素的影響，同時也無法反應出礦震對于巷道所產生的影響。所以目前各類工程在對巖爆進行在線監測時，會更多的應用綜合監測技術。根據巖爆的在線監測技術發展情況來看，尤其是金屬硬巖石山，都將傳統較為單一的監測技術逐漸轉變為聯合監測技術。比如我國紅透山礦，應用的是從國外引進的6 通道全數字型微震監測系統；冬瓜山銅礦應用的則是將應力監測、位移監測以及微震監測集為一體的綜合監測技術；湖南柿竹園礦應用的是多通道聲發射監測、單通道聲發射監測、應力監測和位移監測結合的綜合監測技術。這種將區域監測與位點監測進行有機結合的實時在線監測方法，不但能夠將單一監測方式應用中存在的問題予以解決，還能夠相輔相成，確保監測數據的準確性和可靠性，從而使得預警預報更加及時精準。

4 結語

早在1987 年，聯合國就把巖爆定位為自然災害的一種，這足以證明巖爆的危害性和破壞性，對此，相關部門及人員需要不斷對巖爆的出現機制、產生條件以及主要原因進行探索研究，同時各大地下工程在施工過程中也要靈活運用各種監測技術，對其應力、受損程度予以實時在線監測，有助于后期對巖爆的預防和治理工作，也能夠為生產環節的安全性提供一定保障。