有關巖爆問題的研究綜述

陳 奎 李福壯

河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院（450000）

0 前言

21世紀以來，隨著經濟的持續發展，綜合國力的不斷提升，高新技術的不斷應用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發展[1]。雖然近些年我國在隧道與地下工程領域取得了諸多的成績，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過程中常見的一類動力破壞現象，是由于圍巖中積聚的應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]。低強度的巖爆表現為圍巖剝離，有聲響，有氣浪，危險性較小。高強度的巖爆表現為圍巖崩落、彈射，產生較大的粉塵和空氣沖擊波，常常還會使巖體和地表產生震動，和小地震相似[3]。下面對巖爆的定義、烈度分級、影響因素、破壞機理、理論與經驗判據、現場預測與支護手段等進行系統的闡述。

1 巖爆的定義及類型

1.1 巖爆的定義

對于地下工程中出現的巖爆現象，行業背景不同，名稱也不同，比如巖爆和沖擊地壓等。從物理及力學本質而言，巖爆和沖擊地壓在一定范圍內可以認為是相同的[4]。雖然我國文獻關于巖爆的機制、定義和分類眾說紛紜，不盡一致，但是國際上研究巖爆的權威學者關于巖爆的定義、機制和分類是基本相同的。

巖爆是一個物理現象，所以其定義應是現象的描述，以下引述了若干定義和機制。

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。

開挖一個新地下孔洞或者改變一個已有孔洞造成圍巖中的應力變化，這些應力變化能導致孔洞附近巖體的破壞，或者誘發已有斷裂的滑移；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。

為了發生斷裂型巖爆，原生的或感生的應力水平必須足夠高，以能激活原生的斷層面的運動，或啟動地質結構面的活動，或者在巖體中形成斷裂(新斷層)，巖爆是巖體動力破壞的后果。

礦井中動力現象(巖爆)的本質是圍巖獲得了動能。

采礦誘發的巖爆是與平衡狀態的失穩相連的，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、發生特征和關鍵控制因素，對于明確巖爆的發生機理和應對措施非常重要。對于巖爆類型的劃分方法，目前學術界尚未達成統一的認識。根據巖爆發生機理可分為應變型巖爆、構造型巖爆、應變和構造混合型巖爆，若根據巖體類別可分為均勻巖體巖爆和非均勻巖體巖爆。根據國內外研究積累和該工程巖爆災害的主要特征，按其發生條件和機理可將巖爆劃分為兩大類型，即應變型巖爆和斷裂型巖爆。

按巖爆發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斷層錯動引起的巖爆。從巖爆形成的內在因素出發，將巖爆類型劃分為水平構造應力型、垂直壓力型和綜合型三大類。武警水電指揮部天生橋二級水電站巖爆課題組對巖爆有兩種分類:①按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和爆脫型；②按規模將巖爆分為零星巖爆（長度0.5～10 m）、成片巖爆（長度10～20 m）和連續巖爆（長度大于20 m）三大類。根據巖爆巖體破壞方式，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，在國內的巖爆類型劃分影響最大，首先根據巖爆巖體高地應力成因和最大主應力方向，將巖爆類型劃分為水平應力型、垂直應力型和混合應力型三大類，然后依據具體應力條件和巖爆特點，再將巖爆劃分為六個亞類。

2 巖爆的烈度分級

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巖體或礦體本身產生的直接破壞，以及因此而誘發的工程區或礦區、地面建筑物等的間接破壞。對于巖爆烈度分級問題，目前國內外尚有不同的見解，主要依據與巖爆有關的單項或少數幾項指標來劃分。實際上，巖爆的烈度分級所要考慮的因素遠不止一種，而現階段的分級方式往往不能從多方面進行考慮，這也是造成烈度分級不能達成共識的原因。應用改進的物元可拓理論，選取影響巖爆烈度的主要因素，如洞室最大切向應力σθ、巖石單軸抗壓強度σc、巖石單軸抗拉強度σt以及沖擊傾向指數Wet，以σθ/σc、σc/σt及Wet作為巖爆烈度評價指標，建立巖爆烈度預測的改進物元可拓模型。建立的巖爆烈度預測的改進物元可拓預測模型更加科學合理，預測結果與工程實際吻合較好，預測精度更高。

3 巖爆的影響因素

巖爆是礦巖受到開挖擾動后發生猛烈破壞的一種自然現象，是礦巖本身力學性質和外界因素組合的結果。一般包括內因和外因。內因主要是高地應力、巖體結構及性能、地質構造等，外因主要是指有關生產的工藝和技術。其中高地應力條件是巖爆發生的能量源泉，巖體結構及性能、地質構造、水文地質條件等決定了發生巖爆的能量聚集和釋放能力。采礦方法、采場巷道的形狀和結構參數、采掘工作面推進方向速度、回采順序以及支護形式等都影響到巖爆的發生。總體而言，巖爆是多種因素導致的結果，各影響因素之間既獨立又相互聯系，并且對巖爆的影響方式和影響程度也不同。

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

4 巖爆的預測和防治措施

4.1 巖爆的預測

國內外學者利用各種方法對巖爆進行預測預報，綜合總結了一些對巖爆的預測方法。針對巖爆監測研究的不足，開展了完整硬巖巖爆單軸壓縮試驗及全過程超聲波監測，分析了完整硬巖巖爆破壞特征及超聲波前兆規律，探討了完整硬巖巖爆的預測預報。以工程地質條件為基礎，綜合分析隧道工程區地應力場環境及鄰近工程實測地應力成果，利用工程類比和三維數值反演方法獲得隧道工程區初始應力場。選取隧道橫斷面作平面應變分析，計算獲得開挖后隧道沿線圍巖二次應力場。利用修改后的巖爆判據對隧道全段進行巖爆狀態預測。基于決策樹模型對巖爆烈度進行預測，基于證據理論對巖爆進行預測，運用工程巖體分級標準判據法、陶振宇判據法和Hoek判據法對隧道巖爆進行了預測研究。當巖體內部多次發出沉悶如雷很嚇人的響聲，即是大規模巖爆發生預兆，如多個地點發出，很可能在此范圍產生連鎖反應。巖體工程表面發出清脆響聲是作業面處立即出現局部巖爆預兆，新作業面出現爆皮裂縫宜繼續關注，老作業面長時間出現此種現象說明其應力平衡己結束。

4.2 巖爆的防治措施

巖爆發生有兩個基本條件，①巖體處在高地應力場的作用之下；②巖體本身堅硬、完整而強度高，能集聚高的彈性能。控制巖爆的措施有多個，如開挖順序、開挖方式、錨固、掛網和噴護等。

合理的開挖順序可以通過控制和改變圍巖中應力變化路徑的方式來減輕甚至消除高應力破壞，目前這種工程措施在深埋礦山工程中應用非常廣泛。選擇開挖方式在圍巖高應力破壞不是很突出的情況下顯得尤為重要，這是因為高應力條件下圍巖的變形和支護要求基本都是圍繞著圍巖屈服圈進行的，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勢。在高應力脆性破壞趨勢條件下的錨固、掛網、噴漿加固措施是深埋高應力條件下地下工程開挖時常常采用的措施。高應力條件下巖體越完整、堅硬，其儲存應力的能力越強，一旦發生高應力破壞，產生很大影響和劇烈震動。因此不能用常規條件下的巖體質量來衡量加固的需要。在高應力條件下，緊跟掌子面的支護是非常必要的，只有這樣才可能創造一個安全的施工環境。緊跟掌子面的加固主要采用兩種方式:①掛網和錨固組成的快速臨時支護系統；②噴層加錨固組成的快速支護系統。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。錨桿的特點是強度高、剛性大、支護力強，缺點是承受變形能力和吸收能量的能力不足。在使用這類錨桿時應充分考慮到其不足之處，避免使用不當導致錨固體損壞。

由于巖爆的危害較大，所以在工程施工中，對巖爆的防治一定要及時，防止因為巖爆危害而發生較大的損失。

5 結語

目前，在對巖爆的研究中，忽視了對有巖爆傾向性開挖空間的有效防護理論與技術的研究，對巖爆防治措施的研究相對較少。在強調高應力誘發巖爆災害的同時，忽視了高應力承載硬巖有可能帶來的在采場礦巖破碎方面的優勢，以及由此產生的誘導致裂技術可應用性的認識和研究。