最新岩爆发生的机理分析及防治措施综述

岩爆发生的机理分析及防治措施综述

岩爆发生的机理分析及防治措施综述

摘要：深部洞室的岩爆已成为水利、隧道、深部采矿工程建设的突出问题。近年来，我国在深部采矿，隧道开挖等工程领域快速发展，由于工程经验相对较少，且多数理论研究成果很难解释岩爆的发生机理，因此对岩爆的发生机理及防治措施研究显得尤为重要和迫切。通过介绍已有的岩爆发生机理，比较现有的岩爆发生机理，指出各岩爆机理的优缺点，并提出需要改进的部分，并对相关的隧洞工程总结有效的防治措施。最后结合当前的研究现状提出几点见解，以期为岩爆区的工程设计、施工建设提供有益参考。

关键词：岩爆；地应力；应变能；隧洞；断裂力学

E-mail：ambitiousxjfeng@

引言

自1738年在英国锡矿坑道中首次发现岩爆现象以来，各国在深部地下工程中的岩爆现象越来越多，这与人类不断向深部开采资源，发展地下空间的活动密切相关。岩爆作为一种人类地下深部工程活动的产物，其定义众多，目前尚未有统一的认识。广泛被接受的定义：在高地应力深部地下洞室中，脆性岩石卸荷造成存储的应变能突然释放，使洞室围岩出现崩落，甚至弹射并伴随爆裂声的一种动力失稳现象[1]。岩爆的发生会给工程造成巨大的损失，严重的情况会造成大型机械设备的损坏以及人员的伤亡，因此对深部岩石的岩爆现象研究显得特别重要。

随着矿山、水利水电、铁路公路交通隧道等工程向深部发展，岩爆作为一种地质灾害现象，其发生越来越频繁。[2]岩爆作为一种复杂的深部地下工程活动现象，其发生原因受多种因素的影响，因此对岩爆形成的机理研究以及准确预测显得特别困难。为解决当前我国深部地下工程活动中的地质灾害问题，需要对岩爆发生的力学机理，物理现象做深入的研究，结合室内试验，现场试验以及现场检测对其发生的时间，发生的强度、烈度做进一步精确的预测。我国自1933年在抚顺胜利煤矿报道岩爆事故以来，已记载了大量的工程岩爆事故，特别近几年来，随着我国不断向深部地下空间发展，岩爆现象发生频繁。虽然我国在这方面已积累了大量的工程经验，并开展了大量的工程实践探索和研究，但岩爆机理的研究大多数还停留在定性解释阶段。鉴于新形势下我国地下工程发展趋势，有必要对深部洞室岩爆的发生机理作全面而系统的研究，这对保证我国在深

部地下工程建设项目的设计、施工，安全使用和管理等具有重要的现实意义。

目前人们对岩爆的发生已有了比较深刻的认识和研究。徐林生从岩爆发生的地应力，岩体结构及其性能，地质构造，水文地质，工程施工开挖等因素出发，详细研究了深部地下工程岩爆发生的的条件[]。E,Hoek等以及Zoback 提出岩爆是高地应力条件下的剪切破坏现象[]。而Mastin以及Haimson通过对带圆孔的砂岩岩板进行岩爆实验模拟，指出岩爆是孔壁应力集中造成的张拉破坏现象[]。谭以安教授认为岩爆是一渐进破坏过程（劈裂成板-剪断成块-块片弹射）[]。徐林生，王兰生等利用川藏公路二郎山隧道工程课题结合岩爆岩石断口扫描电镜（SEM）以及卸荷三轴试验根据岩爆力学机制提出岩爆可分为三种基本形式：压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折[]。李廷芥，王耀辉等结合岩石裂纹的分形特征，通过试验发现岩体的维数值随裂纹尖端剪应力增加而增加，并据此从能量耗散角度出发，指出裂纹分形维数值与岩爆发生存在一定的相关性[]。冯涛，潘长良应用断裂力学理论提出岩爆发生机理的层裂屈曲模型，该模型很好的描述了洞室表面岩爆的发生机理[]。杨健，武雄将系统工程决策方法和模糊数学评价方法有机结合，提出一种多指标、多因素、多判据的岩爆综合评价方法.AHP-FUZZY法。该方法综合考虑了影响岩爆发生的十多种因素，避免了仅考虑少数几种判据所带来的局限性，同时通过层次结构分析方法较为客观地洽出了各种影响因素的影响程度权值，为提高岩爆综合预测评价的可靠性创造了条件。本文结合目前研究成果对岩爆的发生机理，预测及防治措施等作详细的分析和总结，并提出存在的问题以及可能的研究内容和方法，希望为深部地下空间工程设计、施工等提供有益的参考。

1 岩爆发生的主要影响因素

1.1 地质因素

1）岩体结构。岩体结构由结构面和结构体两个要素组成，是反映岩体工程地质特征的最根本的因素，不仅影响岩体的内在特性，而且影响岩体的物理力学性质及其受力变形的全过程。结构面和结构体的特性决定了岩体结构特征，也决定了岩体的结构类型。工程岩体是否

会发生岩爆以及岩爆的烈度大小主要取决于结构面性质及其空间组合和结构体的性质及其立体形式。

2）地质构造。复杂的地质构造带容易发生岩爆，如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等等。大量的现场试验表明，岩爆经常发生在向斜构造的轴部，特别是构造突变区，断层带等应力集中区[]。

3）不连续面性状。不连续面的光滑或粗糙程度，不连续面的组合状态及其充填物的性质，都反映了不连续面的性质，直接影响着结构面的抗剪特性。

1.2 环境因素

1）工程埋深(原岩应力)。工程埋深决定着原岩应力的大小、方向与分布状态，进而影响着工程的地质和环境状况。研究表明，地应力随开采深度的增加呈线性或非线性增加趋势，在1000m以上的深度，水平方向的主应力大于垂直方向的主应力，而在1000m以下的深度，垂直方向的主应力往往大于水平方向的主应力。众所周知，岩爆的发生与地应力集聚特性有着密切的关系，具有较高地应力的岩石，其弹性模量也较高，岩石具有较大的弹性变形能，也最易发生岩爆。

2）渗流量。通常情况下，岩爆大都发生在干燥的岩体中，即比较湿润的岩体较难发生岩爆，这是因为渗流对岩石的作用造成的。一方面，水及某些含阳离子的溶液具有降低岩石颗粒间表面能的能力，引起岩石软化；另一方面，渗流量好的岩体明显比干燥的岩体中的层理、节理、裂隙发育好，数量多，岩体的空隙率高，由于裂隙的增加与扩展，降低了岩体的强度和弹性模量，泊松比增加，粘结力减少，贮存的弹性变形能小。

3）地震。地震是触发岩爆的一个重要外因，当岩体工程处于多震区 (由天然地震、爆破、机械振动、或大规模放炮引起的)，由地震产生的巨大的弹性波迅速传播，可使得处于临界状态的岩体受到扰动而发生突然失稳破坏，从而导致岩爆的发生。

1.3 开挖因素

1）岩体工程的规格形状。岩体工程的开挖打破了岩体中原始应力平衡状态，在其周围一定范围的岩体中发生应力重分布。这种应力的

重分布与岩体工程的规格形状有着密切的关系，理论分析表明，非圆形铜室的应力重分布不均匀程度高，一旦某些部位的应力值达到或超过发生岩爆的临界值，容易发生岩爆。

2）工程布置。弹塑性力学分析与工程岩体产生岩爆的实际表明，同样规格形状的岩体工程如果布置方法不一样(即岩体工程的长轴方向与主应力方向的夹角不同)，发生岩爆的几率也就不一样。这主要是由于不同的工程布置，造成围岩的应力集中与分布规律不一样。当铜室或采场的长轴方向与最大主应力方向一致时，应力的集中与破坏程度较小，岩爆发生的几率也较低；而当铜室或采场的长轴方向与最大主应力方向垂直时，应力的集中与破坏程度较大，岩爆发生的几率也较大。

3）开挖工艺。开挖工艺主要指工作面的开挖方式与爆破方法。工作面是采用一次开挖工艺还是分步开挖工艺，其实施效果不同。当采用分布开挖时，积聚在岩体内的弹性变形能能够以较小的速率释放出来，从而降低岩爆的发生几率。另一方面，采用不同的爆破方式，工程岩体的外载荷在爆破的瞬间差异很大

4）支护工艺。良好的工作面支护一般表现为开挖后靠近工作面的支护及时、安设可靠和初始刚性高，以便限制岩体的早期位移和体积闭合量。同时还表现为具有一个可控制快速屈服的能力以使支护体尽可能多地吸收岩体变形释放的能量，并且使支护体本身在岩体变形后仍能保持一定支承载荷的能力。

2 岩爆机理分析

目前岩爆机理的研究大多数停留在定性解释阶段，也有不少学者结合室内实验和现场实验取得了一些有意义的成果，能对局部的岩爆现象做比较合理的解释。从岩爆发生现场的碎屑特征、岩体性质、岩层结构、岩体地应力状态、岩体走向、人为开挖扰动等方面考虑岩爆的成因；从岩爆产生规模的大小、岩爆发生部位和主要应力来源对岩爆进行分类；以及从岩爆室内实验来模拟现场岩爆的过程并根据实验数据分析岩爆成因、观察岩爆发生规模大小、分析岩爆机理为岩爆泪机理研究提供基础数据。这些理论都具有一定的局限性，但岩爆机理一般可描述为：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于洞室开挖，径向约

束卸除，环向应力骤然增加，能量进一步集中，在集中应力作用下，产生突发性胀剪脆性破坏，伴随声响和震动消耗部分弹性应变能。同时，剩余能量转化的动能使围岩急剧向动态失稳发展，造成岩片(块)脱离母体，获得有效弹射，猛然向临空方向抛(弹)射的特征，经历了快速“劈裂一剪折一弹射”渐进破坏过程的动力破坏现象。

国内外学者对岩爆有很多研究，概括起来主要从两方面进行的，一是从静力学理论方面(它也是泛采用的岩爆预测判据的理论依据)，另一是从动力学理论方面。

2.1静力学理论机制

岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因，这是迄今为止对岩爆机理的最为清晰的概括。

1）能量学观点

从能量学观点考虑，岩爆过程是围岩积聚弹性应变能的释放过程，这是得到大家公认的看法。以下介绍两个广泛被接受的能量学观点，它们都能很好的解释岩爆的发生，并能定量的给出岩爆发生的强度。

弹性应变能的聚集能力可以采用弹性应变能指数定量判定。弹性应变能指数Wet由波兰A. Q. Kidybinski提出，其测定方法是：利用岩石单轴抗压强度试验，将试件加载到其峰值强度的70~80%，然后卸载，获得应力一应变曲线关系。

sp

et

st

W

φ

φ

=

式中，

sp

φ为弹性应变能(加载曲线以下的

总面积)；

st

φ为耗散的应变能(加载与卸载曲线之间的面积)。按统计损伤模型，弹性应变能指数越低，说明岩石在进入不稳定破裂之前发生了较高的损伤，同时释放了人量的应变能，积聚的弹性应变能较小，从而进入不稳定破裂阶段之后，释放应变能较小，形成的岩爆烈也就越低，反之亦然。

能量理论。能量理论是60年代由Cook等人在总结南非15年岩爆研究与防治经验的基础上首先提出的，认为当矿体一围岩系统在力学平衡状态破坏时所释放的能量大于消耗的能量时，即产生冲击地压。

70年代，美国密苏里大学在Cook 等人的基础上提出了剩余能量的理论，并提出冲击地压能量判据，表达式如下[]：

1S E

D dW dW dt dt dW dt

α

β+> 式中：E W 为围岩系统所储存的变性能；

S W 为岩体所储存的变形能；D W 为消耗于岩体

与围岩交接处的岩体破坏阻力能量；α表示围岩系统能量释放的有效系数；β表示岩体能量释放系数。

2）强度理论观点

强度理论在1972年由克劳利提出，它一种基于古典材料破坏原理的岩爆机理，主要着眼于岩爆发生的原因，即应力大于强度，其理论原理是岩体与其围岩构成的力学系统应该达到其力学极限平衡。[]它以岩石的单轴抗压强度作为评判标准。从强度理论考虑，岩爆实际上是围岩在洞壁应力作用下的失稳破坏。主要有两种破坏方式—张性破坏与剪性破坏。

3）刚度理论

刚度理论的产生源于刚性压力机的产生，70年代Blake 将此理论完善，认为矿体的刚度

大于围岩的刚度是产生冲击地压的必要条件，我国阜新矿院认为岩爆取决于岩石加载过程刚度与应力达到峰值以后卸载过程刚度的比值，并提出以刚度为参数的冲击性指标。由于刚度理论主要用于解释煤矿冲击地压和矿柱岩爆问题，所以使用并不十分广泛。

4）断裂和损伤力学理论观点

该理论从岩石的微观特性入手，对岩爆由量变到质变的过程作出了解释。从断裂、损伤的观点看，岩爆是岩体中的既有裂隙在开挖条件下扩展并伴随能量释放的过程，岩爆不是岩石基质破损的属性，而仅仅是早己存主的小断裂的扩展。

从断裂和损伤力学理论分析岩爆，强调岩体中早先的裂隙,微裂纹及原子、分子尺度上的空穴、缺陷及位错等损伤在岩爆中的作用。

2.2 动力学理论机制

岩爆是开挖诱发的一种人为地质过程，不是纯自然地质现象。既有的岩爆实录资料表明，岩石静力学理论在岩爆机理研究中的作用是重要的，但局限性也是明显的，现有的岩爆机理理论还不能对若干重要的岩爆问题做出合

理解释。岩爆不仅仅是围岩对开挖引起的应力分异结果的响应，更可能是对整个开挖过程及其结果的综合响应，而这种响应已经超出岩石静力学的范畴。

从上面的各种岩爆机理的研究可以看出，各种理论在对岩爆问题进行解释时，只是从不同的侧重点来分析岩爆现象，各种理论各自有其局限性，要真正地解决实际问题，应当将上述各种理论综合起来考虑，才能更好的描述实际的岩爆问题。

3 岩爆的预测

随着我国地下采矿工业的快速发展，岩爆现象日渐显露，相应的事故也时常发生。岩爆的突出问题迫切要求加强在岩爆预测方面的研究，合理、准确、及时的预报并采取针对性的防治措施将极大减少和避免人员伤亡和设备损坏，同时促进岩爆理论的发展和丰富。

在地下岩石工程中岩爆的预测可以为确定

监测重点范围，采取防治措施提供指导性帮助；同时还可以指导施工、开采设计以及地下空间机械设备布置，优化施工、开采顺利等，从而减轻甚至消除围岩局部应力高度集中和应变能的突然释放，最终避免岩爆事故的发生。[] 岩爆是非常复杂的动力地质灾害现象，其

影响因素众多，由此也决定了岩爆预测的多样性及复杂性，日前国内外学者已从强度、刚度、能量、稳定、断裂、损伤、分形和突变等方面对岩爆进行分析，提出各种的假设和判据

4 岩爆的防治措施

目前可以说要完全避免高应力区地下酮室施工中岩爆的发生是十分困难的，但可以通过优化结构设计、爆破开挖设计和合理的组织施工等措施，尽可能地避免出现应力过分集中的地区或部位，及时做好围岩的支护和补救工作。岩爆防治方法应立足于减轻或避免岩爆伤人毁机及导致围岩大面积失稳的目标。

制定合理的施工工艺：合理控制掘进速度，尺寸；合理布局地下空间机械设备的布局如果是采用爆破施工，需要根据岩性条件，以及施工要求，确定合理的炸药当量，尽量减小爆破对岩石产生岩爆的影响，施工中采用浅孔多循环、光面爆破、微差起爆严格控制最大单响药量，调整钻孔作业顺序，改变布孔方式和掏槽方法，减轻对围岩的扰动，改善洞室周边轮廓形状和围岩的应力条件，以防止破坏性岩爆的发生。

1）改善岩爆条件：

采用超前径向钻孔减压。在产生岩爆位，打风钻孔或放小炮震裂，并可同时在风钻孔内灌水，人为造成应力扩敬，改变应力集中状态。

2）改善岩爆发生的爆破振动诱因：

在岩爆易发生洞段，采用短进尺，多循环的开挖方式，控制一次爆破用药量，有利于应力的逐步释放，减轻爆破展动对围岩极限应力状态的破坏。

3）加强支护：

对需要永久衬砌的地段，岩爆部位可增设锚杆，同时挂网喷混凝土；对不需要永久衬砌的地段，采用临时钢木排架支护，听到爆裂声，立即进行支护。

4）回避的方法：

对强岩爆洞段，各种处理办法都来不及用上或难以用上时，等待围岩应力自行调整达到稳定，有时也不失为一种方法。

6 结论

国内外关于岩爆的机制、预测、防治研究比较系统和全面，但也存在不足，

尽管目前国内外学者对地下空间岩土工程领域的岩爆展开了大量而卓有成效的研究，且相应的技术在工程应用中也突显了其研究的价值，但仍有许多问题还未得到很好的解决，地下洞室“长、大、深、群”的特点也将愈加明显，岩爆的机理研究以及防治措施依旧是全球性的工程难题。深部地下空间工程涉及到环境学、地质学、土木工程、水文学、地球物理等多个学科，需要各学科研究人员协同攻关，才能不断突破现阶段制约我国深部或深埋地下工程的瓶颈。

结合对目前的研究状况，对岩爆工程研究提几点见解：

1)设计上采用新方法、新思路，如采用岩爆综合评价法(AHP-FUZZY)、BP人工神经网络模型预测方法等方法，预测岩爆的发生情况，结合工程特点针对性的设计施工工艺。但每种方法都有自身的适用范围和特点的使用条件，应根据拟建设隧洞，矿洞等的具体情况选取合适的方法。

2)开发能真实反映深部，深埋地下工程岩爆的大型仿真软件，借助计算机辅助系统来预测岩爆，并能进行相应的优化设计，减小洞室在施工、运行中的安全事故。岩爆涉及到多个学科，需要考虑到多种影响因素，例如气体，液体能量同样会诱发岩爆的发生，开发能全面反映工程的仿真软件将极大地促进深部地下工程的发展。

3)加强重点管段的监测和检测工作。对处于不稳定型施工段、断层活动段、穿跨越部位等重点位置进行实时监控，以保证洞室的安全施工和后期的安全使用。对已建成的隧洞进行周期性检测，以评估围岩变形运动对围岩强度，稳定性的影响。

4)加强各科研单位协作。在深部地下开挖隧道，采集矿石遇到的技术难题的复杂程度是难以想象的，需要在材料科学，断裂力学、弹塑性力学、检测评估技术，计算机管理系统，计算机仿真技术等方面的科研攻关才能确洞室开挖的安全施工。

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