岩爆监测及预防

2.6
2.5
1.7 1.3
1.0
0.6
双江口岩爆控制策略
岩爆控制是一揽子方案，不是解决某个环节的问题即可，没有灵丹妙药
战略性方法：改变结构布置、开挖顺序、端面形态等方法 • • • 先导洞开挖、台阶开挖、掌子面形态等 注意双江口施工过程中人为创造的岩柱 钻爆法 应力解除爆破 支护：注意体现支护及时性、系统性、有效性的具体措施 • TBM 支护：大部分情况下岩爆处理，注意对滞后岩爆的控制
战术性方法
结论与建议
• 岩爆多发生在整体结构、块状结构的围岩中，围岩较稳定、坚硬、干燥、裂隙不发育；
岩爆的运动特征以松脱、剥离为主，少量弹射。预测在尚未揭露的辅助洞洞段仍将发
生强烈~极强岩爆。 • 岩爆活动可分为活跃期和持续期。岩爆活跃期：岩爆多发生在掌子面掘进后几小时内，
以5～20小时内最为活跃，岩爆较多。大多数岩爆均发生在该段时间内，距掌子面约
MS9 MS9 MS11
200
MS13 MS13
MS15 MS7 MS11 MS9 MS3 100 MS3 MS15 MS15 MS1 MS9 MS11 MS13 2发火雷管 MS1 MS13 MS11 MS9 MS15 MS5 MS5 MS9 MS11 MS13
150
150
MS15
300
100
MS13 MS11 MS9
装药段1.5 - 2m 粘土封堵段 9 – 12 解除应力爆破孔, 长度大 解除应力爆破孔 平面 约超过正常爆破孔3m, 端部1.5-
2.0m段装药, 其余用粘土封堵,
先于正常爆破孔预裂.
剖面图
2倍进尺长度
支护中需要注意的几个环节的问题
支护的及时性：紧跟掌子面进行（目前开挖后不能立即进场的重要原因是没有足 够的系统支护，不能对新开挖段围岩提供足够的约束）
岩爆的几种模式
岩石弹射
岩石冒落
岩石鼓胀
岩爆烈度分级
岩爆判别
岩爆分级
主要现象
临界埋深 (m)
围岩强度应力比Rb/σm
支护类型
不支护或局部锚杆或喷 混凝土。大跨度 时，喷混凝土、 系统锚杆加钢筋 网。 喷混凝土、加密锚杆加 钢筋网，局部格 栅钢架支撑。跨 度大于20m时， 并浇混凝土衬砌。
轻微岩爆 (Ⅰ级)
工程意义
微震位置
微震的表现、监测和描述
1. 表现
•
• • 2.
围岩破裂：爆破后完整数小时后破裂
声响：围岩破裂能量释放的表现方式之一 震动：相对较强的微震可以导致有感震动现象
监测与描述 • • 描述方式：里氏震级 微震监测系统提供商 多用途综合系统： ASC 矿山行业： ESG、ISS
微震的原因、条件与描述
岩爆防治措施
• 改善围岩受力状态：
（1）短进尺、弱爆破； （2）优化爆破方式； （3）应力解除； • 改善围岩物理力学性质
（1）喷水软化围岩；
（2）加固围岩； • 调整施工作业——待避
开挖扰动与岩爆的关系
秦岭隧道岩爆频率与掌子面距离的关系
工程实践表明，采用“短进尺、弱爆破”可以有效控制岩爆
改变爆破方式
隧洞岩爆特点
1. 未发生前并无明显征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会 突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠下 2. 岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面附近，个别的也有距新开外掌子面较远，常见的岩爆部位 以拱部或拱腰部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2h-3h， 24h内最为明显 3. 岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可多重达几十吨。石块由母岩弹出，小者形状常 呈中间厚，周边薄，不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行 4. 岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦 贯通就产生剥落或弹出，处于表部岩爆；在强度较低的岩体，则在离隧洞掌子面以外一定距离 产生，造成向洞内临空面冲击力量最大，这种岩爆属于深部冲击型
330
MS15
机组中心线
MS9 MS11 MS13
200
瀑布沟电站实例
MS15
MS15
MS15
MS15 MS15
下游侧 厂纵0+5.7
解除应力爆破设计方法
去应力爆破孔布置设计（与应力场方位有关）
去应力爆破孔装药量设计：围岩质量、应力水平、需解除的体积 需要核实的问题：炸药类型与采购渠道
辅助洞的解除应力爆破孔设计
岩爆在时空上的特征及规律-实例
16 12 8 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 第一次岩爆时间 T（小时）
18
岩爆次数 n （次）
15 12 9 6 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 距掌子面距离 （m）
岩爆次数 n（次）
6～12m的范围内。岩爆持续期：掌子面推进数天乃至数月后发生强烈岩爆部位仍有可 能再次剥落和发生岩爆。 • 辅助洞岩爆防治，需根据不同的岩爆烈度级别，采取防、治结合的支护，包括改善围 岩的物理力学性质、应力解除、调整作业、待避预防措施和喷、锚、格栅钢架等加固 措施，必要时，考虑改变爆破方式和断面形式。 • 加强岩爆的预测预报工作。
1. 经验方法 • • 中长期预警：根据岩爆发生条件的认识和研究成果 短期预警： 根据岩爆发生条件和前兆的经验总结 具有一般规律， 同时存在特殊性 2. 监测方法（微震监测系统） • • 工程布置合理性， 支护合理性、支护强度、支护质量
•
•
开挖洞泾、端面形态和顺序
掘金方法：TBM掘进的多次岩爆和滞后岩爆问题
岩面→及时实施防岩爆锚固措施（包括快速锚杆、挂网、钢拱架等）→后
wk.baidu.com续实施系统锚杆支护
双江口岩爆预警系统构想
1. 思路 • 2. 经验判断、数值分析、监测三者结合，互相补充
微震监测 • • 联合供应商进行设备改造，适合双江口现场条件 借助专家力量，在监测基础上进行预警，即具备现场报警能力
3.
预警：施工承包商和科研机构联合 • 通过培训强化现场技术人员的经验判断能力
岩爆次数与开挖时间关系图
岩爆次数与距掌子面距离关系图
隧洞施工过程中的短期经验预测法
1. 岩石越新鲜，完整和干燥，岩性越脆弱，岩爆发生的可能性越大，虽即岩体为整体结果，类整 理结构，块状结构，干燥无水地段的洞室易发生岩爆 2. 断层，节理发育附近的完整岩体部位，易发生岩爆。复杂的地址构造带容易发生岩爆，如向斜、 背斜、褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变、岩相发生变化附近等等 3. 钻孔过程中，岩体有隆隆爆裂声，摩擦声和卡钻现象，易发生岩爆。超前钻孔出现饼化现象的 地段，岩爆的危险性很大 4. 5. 6. 抗压强度越大，发生岩爆的可能性越大 听到岩石劈裂的响声，随后看到岩块掉块现象，可能即将发生岩爆 岩壁发现有明显的挤压、外鼓现象部位，可能即将发生岩爆
•
科研队伍提供中短期预警、以现场人员为主体的短期预警、结合监测结果的现场
决策方式和工作流程
微震监测实例
某矿山1995-2005期间监测到的微震记录统计表
年份 1995 1996 1997 1998 1999 2000 最小震级 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 最大震级 3.7 2.7 3.1 3.9 3.2 3.2 次数 762 30 103 164 166 111
高地应力岩爆监测与预防
内容
1. 岩爆的定义 2. 深埋隧洞围岩破坏方式与发生条件 3. 微震与岩爆 4. 岩爆预警方法 5. 岩爆控制与处理方法
岩爆的定义
岩爆 (rockburst) 是地下工程开挖过程中在高 地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸荷导致 洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能
突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射
大理岩水理作用特征曲线
辅助洞施工可以改善的环节
近期 喷层不均匀、使用的钢筋网不标准 增大垫板尺寸并注意与喷层/网的结合 远期 锚固的机械化施工 工业化生产的锚杆
高应力强岩爆区的加固实例
辅助洞岩爆的防治措施
控制爆破和锚喷支护，即短进尺控制爆破开挖，强烈与极强岩爆洞段要
求配合应力解除爆破开挖→危石清理及高压水冲洗→及时喷射混凝土覆盖
2001
2002 2003 2004 2005
1.5
1.1 1 1 1
3.3
3.5 3.5 3.5 3.3
165
386 390 381 250
改变支护方式的结果
大量的微震事件并美欧造成事故—监测的有效性 改变支护方式以后微震事件降低—可控性
微震与围岩破坏程度实例统计
震级 3.0 最小震级 高应力作用下的断裂机制，爆破诱发 450吨破坏物，8英尺长机械涨壳锚杆和螺纹钢锚杆均破坏 处理时间：3周 应力变化导致断裂滑移的断裂型机制，非爆破诱发 约80吨破坏岩体，震动感强烈 高应力作用下的断裂机制，爆破诱发 约2吨破碎岩体，弹射状破坏 处理时间：3个班次 高应力作用下的断裂机制，爆破4小时后发生 破坏岩体封闭在钢筋网内，出现机械涨壳锚杆破坏和砂浆锚杆垫板弯曲现象 高应力作用下的断裂机制，爆破2小时后发生 围岩损伤，震动导致粉尘掉落现象，支护系统略受影响 围岩变形和断裂滑移机制，爆破诱发 月2-3吨碎片封闭在钢筋网内，未见明显的支护损伤 处理时间：2-3班次 高应力作用下的断裂机制，非爆破诱发 约20吨破坏岩体，出现弹射现象，械涨壳锚杆和网局出现破坏 破坏面积较大，深度相对较小
甚至抛掷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。
岩爆的定义
发生岩爆的过程中往往伴随着开挖空间的 大应变、大位移以及岩层碎块从母岩中的
高速脱离，向开采空间抛出，抛出的岩体
质量从数吨到数千吨不等。
岩爆是如何产生的
破裂声和震动现象
断裂滑动的冲击破坏
采用机械化施工 － 岩爆地段的安全要求的重要保证
改善围岩的物理力学性质
• 在边墙及拱部成放射状倾斜向岩体内部钻孔，并向孔内灌高压水，使岩体有一定程 度软化，加快围岩内部的应力释放后再施工。主要用于中等以上的岩爆地段。 • 通过向岩体注水，可以起到如下的效果： 可以提前释放弹性应变能并将最大切向应力向围岩深部转移 高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度 高压注水可产生新的张裂隙并使原有裂隙继续扩展，从而降低岩体储存弹性应 变能的能力
炮眼布置（直眼掏槽和斜眼掏槽）周边眼的控制爆破（光面爆破、预裂爆破）
周边眼
辅助眼
掏槽眼
改变爆破方式
• • 采用断进尺小爆破减小爆破扰动 采用合理的开挖程序、炮孔布局和联网方式
上游侧厂纵0-6.3
MS13 MS13 MS13 MS11 MS9 MS13 MS7 MS13
200
MS13
150 150 150
围岩表层有爆裂脱落、剥离现象，内部有噼 啪、撕裂声；岩爆零星间断发生，影 响深度小于0.5m；对施工影响较小。
4～7
中等岩爆 (Ⅱ级)
围岩爆裂脱落、剥离现象较严重，有少量弹 射有似雷管爆破的清脆爆裂声；有一 定持续时间，影响深度0.5~1m；对施 工有一定影响。
围岩大片爆裂脱落，出现强烈弹射；有似爆 破的爆裂声；持续时间长，并向围岩 深度发展，影响深度1~3m；对施工影 响大。 围岩大片严重爆裂，大块岩片出现剧烈弹射， 震动强烈，有似炮弹、闷雷声；迅速 向围岩深部发展，影响深度大于3m； 严重影响甚至摧毁工程。
1. 原因 • 2. 局部应力或能量水平过高，导致围岩突然破坏
条件（导致围岩局部应力过高的条件） • • • 埋深：几百米至2000m 岩体质量：I 类和II 类围岩 地质构造：褶皱、断层附近
3.
描述
•
•
围岩破坏和微震是原因，岩爆是后果
决定控制策略 – 降低能量水平和提高抗震能力
隧洞侧壁岩石剥落
岩爆预警方法
2～4 H≥Hcr
强烈岩爆 (Ⅲ级)
1～2
极强岩爆(Ⅳ级)
<1
应力释放孔，喷混凝土、 加密锚杆加钢筋 网，并浇混凝土 衬砌或格栅钢架 支撑。
微震与岩爆-因果与时空关系
1. 学术定义 • 微震是岩石破裂时动力波在围岩中传播时引起的震动现象
•
2. • • •
岩爆是微震导致的围岩破坏
围岩破坏和微震是原因，岩爆是后果 决定了岩爆预警的依据 – 理解围岩破裂 决定了控制思想和策略： • • • 破坏源和破坏位置可以不同，标本兼治 降低能量水平（较深部位） 提供抗震能力（浅表围岩） 岩爆位置