岩爆

微震(A-E)法
• 即Acoustic-Emission方法，又称为亚声频探测法 或声发射法。该法能探测到岩石变形时发生的亚 声频噪音(即微震)，地音探测器(拾音器)能将那些 人耳听不到的声波转化为电信号，根据地音探测 器检测到的微细破裂，确定异常高应力区的位置， 再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比 较，从而确定该应力的传播方向，当岩石临近破 坏之际，A-E(微震)噪音读数迅速增加，如果地音 探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着 有岩爆来临。此法源于岩石临近破坏前有声发射 这一实验观测结果，它是对岩爆孕育过程最直接 的监测方法，也是最直接的预报方法。
施工阶段
• (1) 改善围岩物理力学性能。在掌子面(开挖面)和洞壁经 常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。根据王 贤能研究，对于煤等非坚硬岩体，采用超前钻孔高压均匀 注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：一是可以释放应 变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔 劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新 的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存 应变能的能力。对于具有高地应力的坚硬岩体来说，岩体 内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“地震”， 结果往往起不到应有的软化围岩作用。钻孔注水的有效性 在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论的。在此高地应力区， 注水后其封闭应力可能以岩爆的方式释放。
微重力法
• 岩石力学研究表明，脆性岩石在应力作用 下，其力学参数会出现显著的变化，一旦 岩石受到的应变超过其临界限时，岩石体 积便会出现陡然增大，这一现象被称为 “扩容”现象。一般情况下，在发生震动 和岩爆前，岩体的体积将会变化，从而使 岩体密度改变，根据岩体的变形，重力强 度的变化，以及密度分布的变化可以预测 具有岩爆倾向的地带。微重力法能及早预 测岩爆，且预测范围较广，但其成本较高， 测量位置不精确。
岩爆倾向理论
• 岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条 件。用一个或一组与岩石本身性质有关的 指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论 就是所谓的岩爆倾向理论。
岩爆判据
• • • • • • E. Hoek 方法 Turchaninov 方法 Russense 判据 陶振宇判据 Kidybinski 方法 岩体RQD值判据
Russense 判据
• Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩 石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷 载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc ，并根据岩爆烈度关系 图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：
σθ/Rc＜0.20(无岩爆)
0.20 ≤σθ/Rc＜0.30(弱岩爆)
• (2) 改善围岩应力条件。根据国内外工程实践经 验，岩爆洞段尽量采用钻爆法施工，短进尺掘进； 减小药量，控制光面爆破效果，以减小围岩表层 应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全 断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的 扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采 用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但 在施工中应尽量减少爆破振动触发岩爆的可能性； 采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等 方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。
强度角 度 能量角 度 自身角 度
秦岭隧道 判据方法 修 改
谷–陶岩 爆判据
E. Hoek 方法
0.34（少量片帮，Ⅰ级） σ /R =
max c
0.42（严重片帮，II级）
0.56（需重型支护，III级）
>0.7 （严重岩爆， IV 级）
• 式中：σmax为隧洞断面最大切向应力，Rc为 岩石单轴抗压强度。
Turchaninov 方法(T方法)
• Turchaninov 根据科拉岛希宾地块的矿井建 设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应 力σθmax和轴向应力σL之和与岩石单轴抗压 强度Rc之比确定：
（σθmax＋σL）/Rc≤0.3(无岩爆)
0.3＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.5(可能有岩爆) 0.5＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.8(肯定有岩爆) （σθmax＋σL）/Rc＞0.8(有严重岩爆)
岩爆分级 I II III IV Rc/σ1 ＞14.5 14.5～5.5 5.5 ～2.5 ＜2.5 说明 无岩爆发生，也无声发射现象 低岩爆活动，有轻微声发射现象 中等岩爆活动，有较强声发射现 象 高岩爆活动，有很强的爆裂声
Kidybinski 方法
• Wet为弹性应变能与耗损应变能之比，即 Wet=Φsp/Φst式中：Φsp，Φst分别为试块的弹性应 变能和耗损应变能，均由试块加、卸载应力–应变 曲线中的面积求出。Wet判据如下：
刚度理论
• 20世纪60年代中期，Cook和Hodgei发现，用普 通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的岩石试 件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而 不猛烈，并且有可能得到应力-应变全过程曲线。 他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚 度大于试验机(即加载系统)的刚度。20世纪70年 代Black将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿 区的岩爆问题。认为矿山结构(矿体)的刚度大于 矿山负荷(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。 佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现 了柔性加载条件。在他的研究中也引入了刚度条 件，并且明确认为矿山结构的刚度是峰值后载荷变形曲线下降段的刚度。
岩爆防治
• 设计阶段
• 首先，在隧道线路选择中，应该尽量避开易发生岩爆的高 地应力集中地区。 • 其次，当难以避开高地应力集中地区时，要尽量使隧道轴 线与最大主应力方向平行布置，以减小应力集中系数，防 止发生岩爆或能够降低岩爆级别。 • 再次，隧道断面选择尽可能用圆形，不可能时可用城门洞 形(即上圆下方形) ，使隧道断面有利于减少应力集中。
Wet≥5(强烈岩爆)
Wet＝2.0～2.9(中等岩爆) Wet＜2.0(无岩爆)
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岩体RQD值判据
• 中国学者把岩体的RQD(岩体质量指标)值大 于60%作为岩爆发生时的判据。有资料表 明，σ1/Rc值大部分介于0.2～0.5之间，其 出现频率与总事件数为66%，岩爆发生时 其比值一般大于0.2，其出现频率与总事件 数82%。
• (3) 加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措 施。对于低岩爆，可实施全断面光面爆破开挖；爆破、通 风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔5～10 min ，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10 m； 打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射混凝土初期支护。 对于中等岩爆，除实施全断面光面爆破开挖外，必要时可 作 30～50 m超前导洞，导洞直径可不大于5 m ，作为岩 爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通风、找顶后， 洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷 射混凝土初期支护；设置径向系统锚杆。对于强烈以上烈 度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体 网；进行3次三循环喷混凝土；格栅钢架支撑等措施。
• 近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对 经典连续介质力学产生了巨大的影响，运 用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可 以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。损 伤理论是通过建立岩石材料的损伤本构模 型，把岩石的破坏过程看成岩石的损伤积 累过程。损伤积累到一定程度，就出现了 宏观裂纹，如此时损伤继续积累，就可能 产生应变软化现象从而导致岩石储存应变 能的能力降低，出现弹性应变能的释放， 如多余能量向外部传递，就会引起岩爆。
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地震学预测法
• 地震技术是研究挖掘围岩体变化的少数方法中的一种，其 中重要的一方面是用安置在岩石上的地震传感器网来确定 破坏源，利用波辐射的分析来研究岩石的剧烈破坏。在建 立了地震台网监测系统的矿山可以利用连续的、长时期的 微震监测数据进行分析，总结微震事件的时间序列和空间 分布规律，找出地震学参数和地震活动与岩石破坏之间的 明确的可以承认的关系模式，进而找出发生岩爆危险的趋 势，圈定岩爆危险的大致区域。地震法的特点是能够连续 不间断地测量和记录，可以记录震动的最小能量，可以根 据研究区域的特点和所给条件，对震源进行准确定位。但 是该方法需要布置地震监测网，费工费时。另外，对于炮 采矿井及地壳运动剧烈的矿井，使用该方法往往不能区分 地震、岩爆、冒顶及爆破施工。
岩爆研究进展及发展趋势
文章框架
• • • • • 岩爆机理研究 岩爆判据 岩爆的现场预测方法 岩爆防治 岩爆研究存在的问题及发展趋势
岩爆
• 岩爆是高地应力条件下地下岩体工程开挖 过程中，由于开挖卸荷引起围岩内应力场 重新分布，导致储存于硬脆性围岩中的弹 性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、 剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动 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。
• (3)在强调深井岩爆问题的同时，忽视了这类基础 性研究必须同采矿工艺技术相结合， 化害为利， 实现深井采矿技术的革新。
岩爆研究的发展趋势
• • • • • (1)金属矿山岩爆发生机制研究。 (2)采场地压与岩爆监测预报技术研究。 (3)岩爆巷道支护与采场岩层控制技术研究。 (4)岩爆防治措施的研究。 (5)岩爆无害化诱导技术的研究。
岩爆机理研究
• • • • • 强度理论 强度角 刚度理论 度 能量理论 能量角度 断裂损伤理论 岩爆倾向理论 自身角度
强度理论
• 早期的强度理论着眼于岩体的破坏原因。 认为地下井巷和采场周围产生应力集中， 当应力集中的程度达到矿岩强度极限时， 岩层发生突然破坏，发生岩爆。近代强度 理论认为：导致岩体承受的应力σ与其强度 σ'的比值，即σ/σ'≥1时，导致岩爆发生。
能量理论
• 20世纪60年代中期，库克等人在总结南非 金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理 论。他们指出：随着采掘范围的不断扩大， 岩爆是由于岩体-围岩系统在其力学平衡状 态破坏时， 系统释放的能量大于岩体本身 破坏所消耗的能量而引起的。这种理论较 好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。
断裂损伤理论
煤(岩)体电磁辐射监测预报法
• 这一方法是依据完整煤(岩)压缩变形破坏过 程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值 强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电 磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监 测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射 “脉冲”信号，通过数据处理和分析研究， 来预报煤(岩)爆。电磁辐射法的突出优点是 工程量少，对生产影响小，可实现连续、 非接触、定向及区域性(空间上)预测预报。 因此，电磁辐射法是一种很有发展前途的 岩爆预测方法。
秦岭隧道判据方法
• 谷明成通过对秦岭隧道的研究提出以下判 据：
Rc≥15Rt Wet≥2.0 σθ≥0.3Rc
Kv≥0.55
谷–陶岩爆判据
σ1＞0.15Rc (力学要求) Rc≥15Rt (脆性要求) Kv≥0.55 (完整性要求) Wet≥2.0 (储能要求)
岩爆的现场预测方法
• 岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆 发生的时间、地点、烈度等信息。 • 微震(A-E)法 • 微重力法 • 电磁辐射监测预报法 • 地震学预测法
岩爆研究存在的主要问题
• (1)在强调对岩爆机理与预测预报研究的同时，忽 视了对有岩爆倾向性开挖空间的有效防护理论与 技术的研究，对岩爆防治措施的研究相对较少。 • (2)在强调高应力诱发岩爆灾害的同时，忽视了高 应力承载硬岩有可能带来的在采场矿岩破碎方面 的优势，以及由此产生的诱导致裂技术可应用性 的认识和研究。
0.30 ≤σθ/Rc＜0.55(中岩爆) σθ/Rc≥0.55(强岩爆)
陶振宇判据及其岩爆分级
• 陶振宇在前人(Russens，Turchaninov等)研究基础上， 结合国内工程经验，提出当Rc/σ1＞14.5，则不会发生 岩爆；当Rc/σ1≤14.5，则会发生岩爆，并将岩爆分为4 级，如下表所示，(σ1为最大主应力)。