深部开采岩爆研究现状综述

深部开采岩爆研究现状综述摘要：岩爆是一种世界性的地质灾害，随着矿山开采深度的增加，岩爆已经成为一种越来越突出的潜在威胁，极大地威胁着矿山施工人员和设备的安全。

目前，国内外在岩爆方面做了大量的研究工作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和方法。

本文针对岩爆定义、岩爆发生机理、岩爆预测预报、岩爆控制的研究现状，进行了归纳分析与评述。

关键词：岩爆，岩爆发生机理，岩爆预测，研究现状前言随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，地下开采的深度越来越大。

近年来，我国一些金属矿相继进入深部开采，如云南会泽铅锌矿采深已超过1000m，铜陵冬瓜山铜矿采深已达1100m，抚顺红透山铜矿已进入900-1100m深度，湘西金矿超过850m，山东玲珑金矿采深己达800m。

深井矿山开采，最显著的变化是显现“高应力、高温和高孔隙水压”的“三高”特性，开采环境大大恶化，潜在的重大安全隐患增多。

岩爆作为地下工程的一大危害，直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，如何有效的减轻岩爆引起的灾害，已成为世界性的地下工程难题之一，并受到世界各国相关学者的广泛关注。

岩爆发生地点具有“随机性”、孕育过程具有“缓慢性”、发生过程具有“突发性”，对生产安全和工程可靠性的危害极大，已经严重影响了矿山的正常生产。

目前，国内外在岩爆方面做了大量的研究工作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和方法。

1、岩爆定义及分类1.1岩爆的定义时至今日还没有一个统一公认的岩爆定义。

在谈到岩爆时，人们通常会说岩爆就是高强度脆性岩石的猛烈破坏，或者说是储存在岩体内的弹性应变能突然释放。

国内普遍认为岩爆是地下工程或采矿过程中岩体破坏的一种形式。

它是处于高地应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动的扰动下，其内部储存的应力能瞬间释放，造成开挖空间周围部分岩体从母岩体中急剧、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。

岩爆的发生常伴随着岩体震动。

1.2 岩爆的分类总结和分析后，可根据岩爆的应力类型和破坏方式，将岩爆进行分类。

1.2.1以引起岩爆发生的应力类型划分岩爆的发生是由于岩体内部应力集中超过岩体的强度，岩体中集聚了大量的应变能，在外界扰动因素的诱发下，导致能量释放的一种地质灾害现象。

以引起岩爆发生的应力类型为依据进行岩爆类型划分的理论基础就在于此。

总结后，将岩爆分为如下三类。

（1）构造应力型，包括水平应力型(板块挤压、走向断层) ，构造应力集中型(断层,褶皱)，边坡应力集中型(边坡效应造成的坡角应力集中，边坡卸荷造成的应力集中)。

（2）垂直应力型，上覆岩体自重产生的应力(地壳运动处于平静期或者以水平向运动为主) 和重力异常区(粘滞效应造成的异常，多发生在地壳处于上升或下降运动过程中的地区，以及一些地层结构变化复杂的地区，煤层、铜矿、含水层等)（3）混合应力型，包括因岩性变化造成软硬相间的地层过渡带(因储能体性质发生变化，变质岩变质程度不同的界面)，岩脉或岩墙的出现(因岩浆的侵入造成两侧岩体中赋存较高的应力、蚀变带)，构造应力与垂直应力不易区分的地区1.2.2 以破坏方式分类（1）矿柱破坏型岩爆房柱法采矿的矿柱、留点柱分层充填法的点柱、长壁法开采的采场工作面等突然破坏，从而诱发矿柱周围岩体瞬间跨落，造成大量的设备损坏和人员伤亡，这种岩爆称为矿柱破坏型岩爆。

这种岩爆往往发生在大面积房柱法开采和分层充填法的采场内，容易发生连锁反应，导致矿柱相继破坏，造成采场内大范围塌落，甚至使整个采场报废。

（3）剪切破坏型岩爆矿体的大面积开挖导致巷道周围未采岩层应力急剧升高，当应力达到完整岩体破坏条件时，导致岩体沿某一方位发生剪切破坏。

岩体的突然破裂导致破裂面上下盘岩体发生错动，这种错动产生的岩体位移传播到采场或巷道的采空区时，造成空问自由面附近岩体突出和破坏，这种岩爆称为剪切破坏型岩爆。

（4）弯曲破坏岩爆在垂直于层状岩体巷道掘进或采矿时，由于平行于岩层层理方向的原岩应力很大，采矿或掘进巷道会造成平行层理方向的岩层暴露面积过大，这有可能导致岩层发生突然弯曲折断。

这种岩爆发生在采场时，导致采场顶板岩体呈薄板片状态突然冒落甚至垮塌；发生在采掘巷道内时，表现为巷道两侧岩帮或巷道迎头岩石呈薄板状突然破坏。

（5）断层滑移型岩爆大范围采矿，特别是采矿工作面推进方向与前方岩体内原有地质构造若面的法线方向一致时，由于采矿解除了长期施加在构造弱面法线方向的夹持力，导致原本活动性很差的断层重新活化，沿原来弱面重新滑动。

与剪切岩爆机理相近，当岩体位移传播到采场或巷道临空面时，导致岩体大量破坏，这种岩爆称之为断层滑移型爆破。

1.3 岩爆烈度分级迄今为止,国内外对岩爆烈度分级问题尚有不同的见解。

德国学者G.布霍依诺1981年根据岩爆发生时对工程的危害程度,将岩爆烈度划分为轻微损害、中等损害、严重损害三级；挪威岩爆权威人士拉森斯(Russeness.B.F) 的岩爆烈度分级方案在国外很有影响,他在1974 年研究挪威陡山坡隧道时,就根据岩爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征等将岩爆烈度划分为0级-3级共四级。

谭以安1988年依据岩爆发生时的力学和声学特征、破坏方式及其危害程度将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级；王兰生1998年在谭以安的基础上, 进一步根据声响、运动、时效、影响深度、工程危害和破裂性质将岩爆烈度划分为轻微-剧烈四级。

1.4 岩爆发生的条件新鲜、坚硬、完整、致密的脆性岩石，在一定的应力水平作用下，局部破裂岩块因可能获得足够的突然释放的动能而产生岩爆。

按岩石单轴抗压强度指标(盯。

)可将岩石的岩爆倾向由强到弱分成3类：σc≥180—235 MPa，猛烈弹射，属强岩爆；80 MPa≤σc<180 IVIPa，崩落掉块，属弱或中等强度岩爆；σc<80 MPa，无弹射，一般不发生岩爆。

2、岩爆形成机理研究现状近几十年来,国内外在岩爆预测预报方面做了大量的研究工作,但是,由于岩爆预测问题极为复杂,国内外还没有成熟的理论和方法。

到目前国内外学者已提出了“强度理论”、“能量理论”、“刚度理论”、“冲击倾向理论”、“三准则理论”、“突变理论”、“分形理论”、“失稳理论”等众多理论。

这里将现有的几种方法综述如下。

2.1 强度理论人们对地下工程认识到只要作用于围岩单元上的应力大于围岩系统的强度就会发生破坏，这便是后来形成的岩爆的强度理论。

早期岩爆的强度理论主要是围绕岩体形成应力集中而提出的各种假说。

近代岩爆的强度理论着眼于矿床-围岩这一力学系统的极限平衡条件，根据具体问题提出岩体结构模型，结合材料的物理力学性质建立数学模型进行定量分析。

具有代表性的有布霍依诺提出的央持煤体理论，这一理论认为，煤体处于顶底板夹持之中，央持特性决定了煤体一围岩系统的力学性质。

产生岩爆的强度条件是：矿体-围岩交界处达到极限平衡。

2.2 能量理论在岩爆发生的地方往往会伴随着岩块猛烈的抛射，由此，人们意识到剧烈的动力抛射后面必然有一股巨大的能量，是它使破坏后的围岩飞射出来。

基于此，Cook等人在总结了南非十五年来的岩爆研究与防治的基础上于20世纪60年代提出了能量理论。

这一理论依据岩爆发生时大量岩块抛出，围岩震动等现象需要大量能量，而这样大的能量仅来自被破坏矿体本身是不够的，一定与周围的介质有关。

岩爆发生后，围岩．矿体力学系统的平衡状态被打破，转变到新的平衡状态，若其力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的各种能量时，即产生岩爆。

2.3 刚度理论刚度理论的产生来源于压力机理。

Cook和Hojem设计制造了一台刚性试验机，首次得到了大理石的全程应力一应变曲线。

从此对岩石破裂的力学现象有了更进一步的认识，搞清了试样产生猛烈破坏的原因是由于试件刚度大于试验机刚度所致。

Cook将所得到的结论用于解释矿山发生的岩爆现象，在一定程度上揭示了岩爆的实质。

七十年代布莱克对此理论有了更深一层的认识，并用于分析美国加利纳矿的岩爆问题。

该理论认为，矿山结构(矿体)的刚度大于矿山加载系统(围岩)的刚度，是产生岩爆的必要条件。

国内耿乃光等采用拼合手段将岩石样品压裂，结果也发现这一现象。

这种以加载系统和试件之刚度差异为发生岩爆必要条件的理论称为刚度理论。

从刚度理论表达式不难看出，尽管它有简单、直观等特点，但不足之处在于没有正确反映发生岩爆的力学系统的动力过程。

此外，该理论中矿山加载系统，特别是矿山结构的刚度，在概念上不明确、无统一的计算式，而且矿山结构达到峰值强度后的刚度难以确定，所以这一理论的应用受到了限制。

2.4 击倾向性理论冲击倾向性理论认为，岩石本身固有一种冲击倾向的属性，如果岩石的实际冲击倾向性大于所规定的极限值，即产生岩爆。

辽宁工程技术大学章梦涛，潘一山等人采用橡胶、松香的组合体模拟岩爆的动力现象，提出了冲击地压模型。

冲击倾向的指标较多，主要有弹性变形能指数、脆性系数、有效冲击能指数、极限能比、极限刚度比、破坏速度指数、应力—应变时间特性指数、最大塑性指数等，这些指标只是对岩石的衡量，是否发生岩爆还决定于系统的状念。

这种理论国内外应用得比较多，其比较简单、测定容易等，但所测定的值离散性比较大。

2.5 分形理论谢和平等人利用分形几何学的方法来研究冲击地压发生的机理和预测预报手段，主要对冲击地压和岩爆的分形特征及微震活动的时空变化的分形特征进行了试验研究。

这一理论目前的主要研究成果是，在冲击地压和岩爆发生前，微震活动均匀地分布在高应力区，这时分形维数值较高，而临近冲击地压发生时，微震活动集聚，其分形维数值较低，也即分形维数值随岩石微断裂的增多而减小，最低的分形维数值则出现在临近冲击地压发生时。

2.6 失稳理论岩爆的失稳理论是近十几年提出的，其理论涉及范围较广，与上述理论不同之处是，从探求岩爆的机理出发，认为岩体在外界载荷的作用下，发生突然、猛烈破坏的原因是变形稳定性不够，即系统平衡状态失去稳定性。

失稳理论是将围岩看成一个力学平衡系统，即岩爆的发生是围岩组成的力学平衡系统从不稳定状态变成新的稳定状态的过程。

3、岩爆预测预报岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆发生的准确时间、地点、烈度等信息。

岩爆预测工作的主要目的是:(1)对岩体地质力学状态和岩爆危险性进行分析,指导合理的开采设计和布置,选择合理的采矿方法,确定优化的开采顺序和开挖步骤,避免围岩局部应力集中和应变能聚集,从宏观上消除岩爆形成的条件。

(2)为现场预报监测确定重点监测范围,指导区域性的岩爆防治工作。

在预测将有岩爆发生的施工地段提前采取措施,消除或减少岩爆的发生。

从当前研究的现状来看，目前岩爆预测预报的主要途径和方法是必须在扎实的工程地质调查、矿区地应力测量和矿岩力学特性，特别是矿岩破坏冲击性倾向特性试验的基础上，结合矿山开采条件，采用开采万方数据黄金动力学理论和数值模拟的方法，确定冲击危险区域，然后采用微震监测技术等多种方法进行现场监测，将综合分析和现场监测结果相结合，预测开采过程中发生岩爆危险性。