巖爆的破壞機理與防治措施

李丹鋒 張 清

二灘水電開發有限責任公司，四川成都 610051

巖爆的破壞機理與防治措施

李丹鋒 張 清

二灘水電開發有限責任公司，四川成都 610051

巖爆事故能夠導致支護系統被摧毀，引起大規模巖體坍塌，進而導致人員被困或者傷亡事故發生。本文分析了巖爆的特征和分類，研究了巖爆預防判斷的準則和發生機理，并從改善圍巖應力和性質、加固圍巖以及管理方面提出巖爆的防治應對措施，能夠為巖爆事故的預防與控制提供工作參考和技術指導。

巖爆；破壞機理；防治措施

一、巖爆的特征

巖爆，又稱礦山沖擊，是具有大量彈性應變能儲備的硬質脆性巖體，由于洞室開挖，使地應力重新分布，導致圍巖應力躍升及能量進一步集中，而產生張－剪脆性破壞，在消耗部分彈性應變能的同時，剩余能量轉化為動能，造成巖片（塊）脫離母體，向臨空方向猛烈拋（彈、散）射的動力破壞現象。該現象經歷“劈裂成板－剪斷成塊－塊片彈射”漸進過程，并伴隨聲響和震動，是深埋洞室特有的一種不良地質現象。

從巖性來看，巖爆多發生在堅硬性脆的巖層中，如花崗巖、石英巖、片麻巖、斑巖、閃長巖、輝綠巖、砂巖、灰巖、硬煤等。這些巖層或為非層狀的致密脆硬性巖層，或為產狀近似于水平的脆硬性巖層，它們開挖前整體完好，不見張開節理，僅見少量的密閉構造節理。從地質構造上來看，在地應力集中地區（如地質構造線轉折與相交部位）以及洞室軸線與壓性構造線相平行時（即洞室軸線與地區最大主應力方向垂直或近于垂直時），往往可能使巖爆加劇。就洞室與導坑斷面形式而言，方形、梯形的較拱形、圓形的洞室或導坑巖爆更為嚴重。

二、巖爆的分類

（1）按巖爆活動性分類法，如表1所示;

（2）按巖爆特征分類法，如表2所示。

三、巖爆的斷裂破壞機理

巖爆發生的原因是具高蓄能特性的硬脆性巖體中，積蓄的應變能突然釋放，導致的結果是巖體的斷裂破壞。

巖爆是高應力硬脆巖體中常見的一種巖石破壞現象。地下洞室巖爆常以片狀剝落的形式出現，形成蔥皮狀結構。產生巖爆需要一定的應力條件及巖體結構和性質條件。通常多為完整的整體塊狀結構及厚層狀結構，巖石硬脆，單軸抗壓強度在1500kg/cm2以上，聲波速度大于6000m/s，且只有當巖體初始應力場的最大主應力與巖塊的單軸抗壓強度之比值大于0.15～0.2的高應力條件下才可能發生。洞室的軸向布置即與初始應力場的最大主應力的關系及洞室的斷面形狀亦是顯著地影響著巖爆，洞軸與最大主應力垂直且洞室具非平滑輪廓時容易產生巖爆，因為這時洞壁圍巖的應力集中最嚴重，洞壁的超欠挖亦惡化了圍巖的應力集中程度，使巖爆更容易發生。

從宏觀現象上來看巖爆的本質是彈性應變能的大量突然釋放，但其發生機理是巖體的斷裂破壞。巖體中存在數目眾多的呈隨機分布的微裂隙，為巖體的斷裂破壞提供了必要的裂紋條件。

1、巖爆的判斷

巖爆的預測和防治是一個眾所周知的世界性難題，雖然取得了一定的成果，但要做到精確預測還存在困難，特別是因不可預見的地質變化都可能引發難于預測的情況。目前世界上對巖爆的預測沒有一套相對成熟的方法，不能精確預報出巖爆的等級和巖爆發生的部位，僅能進行宏觀預測為主，并結合掌子面的圍巖情況作出判斷，即：

（1）巖石越新鮮、完整和干燥，巖性越脆硬，巖爆發生的可能性越大。

（2）抗壓強度越大，發生巖爆的可能性越大。

（3）在斷層帶附近的完整巖體部位易發生巖爆。

（4）復雜的地質構造帶容易發生巖爆。如褶曲、巖脈、斷層以及巖層的突變等。特別是向斜的軸部巖層存在較大的地應力，聚積有大力的彈性能，一旦進行開挖就有可能發生巖爆。

（5）在鉆孔過程中還可以獲得諸如爆裂聲、摩擦聲和卡鉆現象等具有輔助判斷作用的動力響應信息。

（6）巖爆部位以洞室拱肩或腰部為多。

2、巖爆的斷裂破壞機理

通過對巖爆的觀察和分析，不難看出巖爆具有如下的特征。

（1）圍巖應力與單軸抗壓強度的比值，在較低的情況下就可能出現巖爆。

（2）巖爆多發生在新鮮、完整及堅硬的巖石中，在爆裂面上，一般肉眼觀察不到明顯的裂隙。

（3）巖爆一般發生在洞室開挖后數小時或數天內，也有持續一至幾個月后逐漸減弱或停止的。一般而言，比較劇烈的巖爆多發生在開挖后數小時內。

綜上所述，發生巖爆的巖體雖然在宏觀上是完整的，但在微觀上其內部存在著許多隨機分布的微裂隙，或用常規手段無法發現的非常小的不均勻粒子，當圍巖受力后其中處于最不利方向的裂隙端部，將會產生極高的集中拉應力，這個應力足以克服分子引力造成的內聚力，使裂隙端部產生新的拉伸破裂。

一般情況下，巖體的宏觀破裂并非是單個裂紋擴展形成的，而且單個裂紋的擴展方向與宏觀方向也不一致。只有當微裂隙破裂和相鄰裂隙相互連通起來，逐步形成裂隙帶后，才有可能從微觀破裂發展成為宏觀破壞。而宏觀破壞的形態，可能是剪切或張性破裂，這取決于巖石的結構和裂隙開展的方向等多種因素。由此可以得出，巖爆破壞的進程可以分為三個階段：低應力狀態下的微裂紋擴展→微裂隙相互貫通，形成宏觀破壞→巖體中貯存的彈性應變能轉化為動能，使破裂的巖塊以不同的速度彈射出去，即為巖爆。

表1 巖爆分級表

表2 巖爆分類表

四、巖爆的防治措施

1、改善圍巖應力

如果能使圍巖應力小于圍巖強度就不會發生巖爆。有以下幾種方法：

（1）慎重確定地下洞室穿行方位。在設計階段，盡可能回避處于活躍期的褶斷帶，不要使洞室的施工造成大的、老的構造復活或形成巖爆的誘發因素。

（2）在布置地下工程時，應盡量使長軸方向與最大主應力平行，這樣可以減小洞壁圍巖的切向應力。

（3）在開挖爆破時，采用光面爆破，必要時修正掌子面形態，同時采用短進尺控制爆破開挖，每次開挖進尺小于2m，以改善圍巖應力狀態。

（4）改變導坑段面形狀。在開挖過程中，改變導坑斷面形狀，將通常采用的梯形面改為弧形拱頂。

（6）采用斷頂法施工。這是門頭溝煤礦長期摸索出來的一種治理沖擊地壓的方法，削弱空區頂板與待采區頂板巖層的力學聯系，防止沖擊地壓。

（7）采用回填法施工?；靥罘ㄔ谀戏墙鸬V中用得較多，可減少礦坑跨度、最終收斂量及每一次回采礦中的誘發位移，圍巖可以釋放能量。

（8）應力解除。在預計可能發生巖爆的洞段內，通過人工進行垂直于掌子面的超深鉆孔施爆工作，造成掌子面內相當深度的地方成為一個破碎帶，以減輕掌子面上的壓力。

2、改變圍巖性質

（1）表面噴水，爆破后立即向工作面及附近洞壁巖體噴灑高壓水，以降低巖體的強度，增強塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度；同時可以起到降溫除塵的作用。也可利用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水，以取得更佳效果。

（2）將深孔爆破改為淺孔爆破，減少一次裝藥量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減輕爆破對圍巖的影響，減小爆破動應力場的疊加，降低巖爆頻率和強度。

（3）改變洞室的開挖斷面形狀，把洞室直接或近似開挖成相應于巖爆后圍巖穩定的洞室形狀，如“A”字形、不規則的梯形等，從而減小巖爆的程度。

（4）在強烈巖爆區用臺車打應力釋放孔。

（5）在巖爆出現區域，可以考慮先采取導洞開挖，再進行擴挖的方式，以逐漸釋放地應力的施工方法。

3、加固圍巖的方法

（1）輕微巖爆可對巖壁進行噴混凝土，厚度一般為5～10cm，可采用CF30仿鋼纖維混凝土等高質量噴射混凝土來防止洞壁表面巖體的剝離。

（2）中等巖爆可初噴8～10cm厚的CF30仿鋼纖維混凝土等高質量噴射混凝土；同時采用3m長漲殼式預應力錨桿或水脹式錨桿，間距1m×1m，。視巖爆強度隨機增設鋼筋拱肋，及時進行系統錨桿和后續掛網噴射混凝土施工。

（3）強烈巖爆可初噴10cm厚的CF30仿鋼纖維混凝土等高質量噴射混凝土；同時采用3～5m長漲殼式預應力錨桿或水脹式錨桿，間距0.8m×0.8m。系統布置鋼筋拱肋，間距0.8m，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌作為永久襯砌。

（4）極強巖爆可初噴10cm厚的CF30仿鋼纖維混凝土等高質量噴射混凝土；同時采用3～5m長漲殼式預應力錨桿或水脹式錨桿，間距0.5m×0.5m。系統布置格柵拱架，間距0.5m，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌作為永久襯砌。

4、管理措施

（1）在可能發生和已經發生巖爆的洞段設置警示通告牌，在巖爆區域外的安全地帶設專人負責警戒，避免不知情人員進入危險區?，F場的巖爆風險通告應包括：風險管理的實施人、巖爆等級、施工人員注意事項、巖爆的預兆、巖爆的規避措施等內容。

（2）在巖爆洞段施工作業人員應穿防彈衣和佩戴鋼盔。

（3）在中等以上的巖爆洞段施工時，安排專職安全員24小時巡查現場巖爆聲響、掉塊等異常情況，必要時要求施工人員撤離。

（4）所有機械、車輛操作室等重要部位需加固防護。

（5）對于強/極強巖爆，嚴格按照如下施工順序施工，同時在整個施工過程中，微震監測實時開展。

實施超前錨桿支護→應力解除爆破→危石清理及高壓水沖洗→經安全評估后進行出碴作業→及時噴射混凝土（必要時包括掌子面）→及時實施防巖爆錨固措施→后續實施系統支護（必須在下一個爆破循環前完成）→經安全評估后進入下一次循環。

（6）在巖爆洞段施工時，應做好各種支護材料和支護所用的工器具的儲備工作，支護材料包括型鋼拱架、格柵拱架、各種規格型號的錨桿，及噴混凝土所需的速凝劑等，以滿足快速支護的要求.

（7）在強/極強巖爆洞段出碴時，出碴車輛等待出碴時應停放在劃定的安全區域，并應保證足夠的出碴車輛數量，以保證在爆破后盡快完成出碴作業。

（8）發生巖爆時，停止施工，切斷機械設備電源，施工人員迅速撤離至安全地帶。同時撥打急救電話通知洞外值班人員巖爆發生情況，以利洞外人員啟用緊急應急預案，及時組織進行搶險救援工作。

五、結束語

精確預測預報巖爆仍舊是個世界性難題，在現有的技術水平下，盡可能地通過開挖揭露的地質資料配合微震監測數據來切實研究巖爆的防治應作為施工管理現階段的主要任務，同時從大量的施工實踐中也不難發現，采取一些必要的管理手段和工程技術手段，是可以減少巖爆發生的頻率和強度的，同時也是能夠保證施工人員和施工設備的安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.029

李丹鋒(1961—)，男，湖北丹江口市人，高級工程師，從事水電工程建設管理工作，二灘水電開發有限責任公司安全監察部主任。

張清（1974—），男，新疆奇臺人，工程師從事水電施工安全管理工作，二灘公司安全監察部。