時滯型巖爆的研究與預防綜述

汪馳宇，劉哲汛，彭有，李皓然，劉剛，王德超，賈蓬

(東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

巖爆是在開挖或其他外界擾動下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導致圍巖爆裂、彈射的動力現象。巖爆按照發生的時間分類可分為即時型巖爆、間歇型巖爆和時滯型巖爆。時滯型巖爆是指開挖卸荷后應力調整平衡后，在外界擾動作用下而發生的巖爆[1]。時滯型巖爆由于發生在圍巖開挖后的數小時至數十小時不等，并隨著巖體開采程度的加深而發生頻繁，具有破壞性強、危害性大、發生征兆不明顯等特點。為此，國內外學者對時滯型巖爆的巖爆判據、分級方法、孕育過程、巖樣實驗、巖爆防治做了大量的研究。針對目前滯后巖爆的研究，本文分別從時滯型巖爆的蠕變試驗、巖石變形時的聲發射監測、巖爆的監測預防研究3個方面總結介紹。

1 巖石的蠕變試驗

巖石蠕變是指在常值應力持續作用下,巖石變形隨時間而持續增加的性質[2]。在深部高應力條件下，花崗巖、灰長巖等硬巖亦具有明顯的流變特征[3-4]。由此可知蠕變試驗是了解巖爆發生機理的的一種重要方法。Adams于1901年開始進行大理巖的抗壓蠕變試驗[5]。Giggs[6]首次使用梁式試件對石灰巖、頁巖等巖石在室溫條件下進行了蠕變試驗研究，認為當巖石施加載荷達到巖石自身極限荷載的 12.5%～80%后就會產生蠕變。此后巖石的室內和現場試驗就成為研究巖石變形特征和規律的有效手段，有關巖石蠕變方面的研究和成果日趨完善。李永盛等[7]對4種不同強度的巖石材料采用伺服剛性機進行了單軸壓縮條件下的蠕變和松弛試驗，認為在一定水平常應力作用下，巖石蠕變都會經歷速率減小、速率穩定和速率增大3個階段；且巖石的初始損傷和裂隙、介質不均勻性會造成巖石松弛曲線變化規律的不同。楊圣奇等[8-9]對堅硬大理巖和綠片巖進行了三軸壓縮流變試驗，分析了圍壓對硬巖流變變形的影響，并得出巖石流變破壞實質是由于材料結構的缺陷及非均質性和微裂隙長期損傷累積破壞綜合作用的結果。劉東燕等[10]使用液壓伺服巖石試驗系統對灰巖進行單軸壓縮蠕變試驗，認為巖石的蠕變破壞是其損傷隨著時間的逐漸積累，并伴有細觀和宏觀的裂紋擴展。楊艷霜等[11]對錦屏二級水電站的大理巖進行單軸壓縮破壞試驗研究，發現巖樣破壞的裂紋都沿軸向擴展，且當巖樣的環向應變開始接近并超過軸向應變時，發生破壞的幾率將大大提高。王軍保等[12]對鹽巖進行了3種不同加載路徑下的蠕變試驗，得出了圍壓和不同加載路徑對巖石蠕變特性的影響。

從上述研究中可以看出，巖石的蠕變特性與巖石的初始損傷、內部的裂隙、巖石的圍壓、巖石的巖性，以及加卸載的不同路徑密切相關。為了更好描述巖石蠕變過程，許多專家基于各種影響因素建立了描述巖石蠕變特性的巖石損傷模型。劉光延等[13]利用多軸非線性流變模型，將礫巖在多軸應力條件下的流變試驗成果應用于新疆某拱壩的實際工程之中，提高了仿真數值的計算準確性。冒海軍等[14]對板巖進行了不同圍壓與軸壓下的三軸蠕變試驗，塑性模型的擬合曲線與試驗數據在衰減蠕變與穩定蠕變試驗中板巖因軸壓的不同產生了衰減蠕變與穩態蠕變兩種過程，與六元件的廣義彈黏變過程基本吻合。趙延林等[15]針對具有較強流變性的節理軟巖，基于裂隙閉合體和非線性牛頓體建立了一種反映節理軟巖黏彈塑性特征的復合元件流變模型，通過對比金川Ⅲ礦區軟弱節理礦巖的試驗曲線，驗證了該流變模型的合理性。朱杰兵等[16]對錦屏二級水電站引水隧洞綠砂巖采用恒軸壓、逐級卸圍壓的應力路徑開展室內流變試驗，建立起了巖石損傷演化方程及變參數非線性 Burgers 模型，驗證了此流變本構模型較好反映了錦屏綠砂巖卸荷條件下的衰減蠕變階段和穩定流變特性。蘇國韶等[17]使用動靜加載試驗系統模擬不同加載條件下巖石的斷裂特征，并通過三軸試驗提出：引發劈裂的機制與引發巖爆的機制密切相關，驗證了該測試系統可以很好地應用于深部地下工程研究中。辛亞軍等[18]對紅砂巖樣進行了高應力區峰后單軸壓縮蠕變試驗，基于試驗結果探討了紅砂巖蠕變破壞機制，并引入了模型，驗證了該模型能較好反映峰后紅砂巖高應力區的蠕變特性。

由于巖爆發生的時間、空間、強度等分布存在較明顯的規律性，普遍存在一個孕育過程[19]。上述通過室內單軸、三軸試驗建立起描述巖石蠕變的理論模型，為研究巖石的工程特性和長期流變特性的機制與規律提供了方便，對于時滯型巖爆的研究有著重大的工程意義。為了更加有效監測室內試驗中巖石試樣的變化，需要采用有效的監測手段監測巖石的內部情況。聲發射監測則是一種有效的監測手段。

2 聲發射監測

材料受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應力應變能的現象稱為聲發射。巖石蠕變過程中會發出大量聲信號，對信號進行分析可推斷巖樣內部的狀態變化，進而為研究巖石特征提供重要依據。陳颙[20]于20世紀70年代開始研究三軸試驗下巖石的聲發射，認為巖石聲發射速率不但與應力狀態變化有關，還因應力途徑不同而異。陳宗基[21]利用蠕變擴容理論和簡化的脆性破壞理論對南盤江天生橋進行分析驗證，得出聲發射的頻度和大小隨時間而增加是地震事件發生的前兆。有外國學者[22]指出，巖石試樣在加載開始時通常會產生大量聲發射事件，而后聲發射事件逐漸減少到一個相對較低且恒定的水平，隨后某個應力水平下聲發射事件數迅速增加直到巖石試件失效。在國內也有相應學者得出了有關聲發射研究成果。李庶林等[23]對單軸受壓巖石破壞全過程進行聲發射試驗，在彈性階段的初期和后期，巖石聲發射事件數隨著應力水平增加而增加，而在接近峰值強度時聲發射事件數卻明顯的下降，出現相對平靜階段，在峰值強度后的聲發射現象仍然明顯。趙興東等[24]應用聲發射系統對花崗巖進行單軸壓縮試驗時發現，聲發射活動在初始裂紋形成之前不明顯，當出現初始裂紋后，聲發射事件就明顯增多。在初始裂紋形成之后巖石會蓄積一定的加載能量，在能量蓄積到一定程度之后才會再進行擴展表現出“平靜區”。劉東燕等[25]對深部灰巖的單軸蠕變壓縮試驗中蠕變與聲發射之間的關系進行分析，認為聲發射特征能很好地表征巖石整個蠕變變形過程中巖石微觀結構的變化，對巖爆災害的預測預報具有重要的指導意義。許江、任松等[26-27]在探究不同巖石在周期性載荷作用下的聲發射規律時都發現，巖石聲發射在不同應力幅度和加載速率下有著不同的發展模式，預示著不同的巖石破壞速率。

上述學者的試驗都表明巖石的聲發射能夠很好反映出巖石內部微觀裂隙的擴展和能量積蓄情況，這為了解巖石內部結構的變化以及判斷巖石破壞的時機提供了參考。劉亞運等[28]對花崗巖進行聲發射特征研究時發現，單軸和三軸試驗中達到巖石峰值應力強度的90%時，聲發射累計計數會突然增大，這是花崗巖破壞的前兆特征。周煜等[29]對二長花崗巖進行三軸循環加卸載壓縮試驗和聲發射試驗，指出巖石聲發射活動與巖石變形破壞過程以及能量釋放特征規律密切相關；巖石進入塑性變形的中后期，裂紋大量擴展，彈性應變能大量釋放，聲發射信號強烈；當達到塑性中后期的標志點時，巖石試件即將產生主破裂。杜帥等[30]利用聲發射研究大理巖破壞時的內在規律，發現大理巖破壞時聲發射信號主頻主要集中在2個頻率帶中，此為破壞時聲發射的本征固有頻率，且頻率不隨加載應力的變化而變化。侯公羽等[31]對水泥砂漿厚壁圓筒圍巖試樣使用自研的開挖卸荷試驗系統，探究了巷道圍巖加載卸載等4個階段的變形規律，表明均與聲發射振鈴累計曲線有著良好對應關系。王春來等[32]基于信息熵理論分析了花崗巖在三軸條件下的巖爆模擬試驗，發現在巖爆發生前，時間和空間熵值都出現了急劇下降的現象，該下降點可作為巖爆預警點。

聲發射隨著巖爆的孕育過程有著明顯的強弱變化規律，加大對巖石巖爆聲學特性的研究，會是今后巖爆研究的一個重要方向。巖石聲發射的變化特征是研究巖爆滯后性的重要工具，也為巖爆的監測預防提供了一種有效的手段。為了更好地監測預防巖爆的發生，減小工程實際中的人員和財產損失，許多學者對更多更有效的監測手段展開了研究。

3 巖爆的監測預防

巖爆是當代深部采礦地質力學中的“癌癥”[33]。自 1738年在英國南史塔夫煤田萊比錫煤礦坑道首次記錄巖爆以來，這一地質災害的預測預報和防治就引起了強烈關注。我國的許多學者進行了一系列的試驗研究，隨著我國“一帶一路”等政策的推行和“向地球深部進軍”口號的提出，地下工程將向更深條件、更復雜地域發展，而越來越頻繁的巖爆造成了重大人員傷亡和設備損失。為此提前監測巖體，預防巖爆的發生顯得十分必要。巖爆是否產生除了與巖石本身的性質有關，還受巖石埋深、地質環境以及開挖尺寸等因素的影響[34]。巖爆是高地應力地區因開挖卸荷引起的圍巖動力破裂現象，其發生的主要機制已大致清晰，由此并結合工程實際可以推斷，巖爆發生前一定是有前兆的，這給巖爆的監測預報提供了可能[35]。現有的巖石工程設計原理和支護理論基本滿足淺部巖石工程的實踐需要，但是對于深部巖石工程，尚存在很大的不適用性[36]。通過在實驗室再現巖爆過程，可以對巖爆發生的機制進行研究，分析影響巖爆的因素，為進一步進行巖爆的預測與防治提供實驗依據[37]。

有學者基于室內實驗結果提出并驗證了多種巖爆預防的模型，為巖爆的預測和防治提供了依據。梁志勇[38]基于巖石單軸抗壓破壞特征和強度概率的分布規律，提出了一種有效預測不同應力條件下各級巖爆發生概率的模型。左宇軍[39]建立了一種洞室層裂屈曲巖爆的突變模型，得出了洞室層裂屈曲巖爆在準靜態破壞條件下的演化規律，較好反映了巖爆孕育的復雜演化過程。楊健等[40]在綜合分析巖爆發生的基礎上，系統歸納了產生巖爆的影響因素，提出了一種定性預測與定量評價相結合的巖爆綜合預測評價法。蘇國韶等[41]利用真三軸巖爆實驗系統在室內再現了巖爆動力破壞過程，提出了一種基于聲音信號的巖爆烈度評價指標。還有學者[42]為了克服傳統巖爆預測模型大多為定性的缺陷,以定量評價巖爆發生的劇烈程度，提出了一種新的隧道巖爆概率預測的模型，并以錦屏二級水電站巖爆為案例，驗證了所提方法的有效性。賈雪娜等[43]利用深部巖爆過程模擬系統進行了花崗巖的巖爆聲發射模擬試驗，找出了花崗巖巖爆階段的聲發射頻譜的連續型波形和低頻高幅值的特征。王春來等[32]基于聲發射模擬試驗和信息熵理論，找出了巖爆發生的預警點。

現有的巖爆預警方法大致可以歸為4大類，這些巖爆預測方法都有著不同的優缺點和適用范圍[44]。其中現場監測法能夠實時監測巖爆風險，應用效果較好，且能24 h不間斷實時獲取巖爆發生前的微震信息，來實時預測預警巖爆。許多學者依托于各種工程建設實際情況，提出了諸多有效的現場監測方法，為工程建設安全提供保障。唐禮忠等[45]采用微震監測系統實現了冬瓜山銅礦巖爆的實時監測和預報，實現了對該礦開采過程的巖體動態響應的連續監測。劉建輝等[46]采用電磁輻射法對平煤八礦己組西大巷的巖爆進行監測，節省了大量的時間和費用，并驗證了電磁輻法預測巖爆的可行性。和江濤等[47]在雙江口發電系統工程中布設了多種監測系統，建立動態監測大數據與施工的聯動系統預警機制，保障了施工的正常進行。在引漢濟渭工程隧洞施工過程中，諸多學者[48-50]采用微震監測、電磁輻射監測、聲點綜合預警機制等手段，結合模糊數學方法，基于能量指標等的巖爆判別方法，提前采取相應的預防措施，降低了巖爆產生的概率，保障了施工人員和設備的安全。

由上述研究可見：巖爆的預測手段越來越多樣化，從傳統的巖爆模型預測、微震監測、電磁輻射法、信息熵理論到與數學交叉的模糊評價法，并且隨著大數據、5G和人工智能等新興技術在工程實際中的應用，基于物聯網、大數據、云計算和虛擬現實技術的巖爆預警系統前景廣闊。

4 結語

（1）巖爆的發生存在一個普遍的發育過程，其與巖石的初始損傷、內部的裂隙、巖石的圍壓、巖石的巖性等影響因素密切相關，現有描述巖爆孕育過程的模型還有著諸多不足。未來更加準確巖爆孕育過程的模型建立還需要考慮更多影響因素。

（2）聲發射監測能較好預見巖石內部細微的變化情況，巖石發生破壞前聲發射信號表現著不同發展模式，其聲學信號變化能為巖爆的研究與預防提供一種重要的監測手段，將會被更加廣泛的運用。

（3）巖爆的監測預防目前已有很大進展，保障了越來越多重大工程項目的順利建設，但僅僅依靠傳統技術手段已不能很好滿足監測預防的需求。隨著信息技術的發展，會有越來越多結合大數據、云計算、人工智能等技術的監測手段，未來發展應用空間廣闊。