巖爆的成因及防治措施

楊光

（廣東省地質局第一地質大隊廣東珠海519099）

巖爆的成因及防治措施

楊光

（廣東省地質局第一地質大隊廣東珠海519099）

巖爆是高地應力區的地下工程在開挖過程中或開挖完畢后，由于彈性變形能的瞬間釋放而產生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩地質現象。巖爆是地下工程施工的一大地質災害，由于它的破壞性很大，常常給施工安全、巖體及建筑物的穩定帶來很多的問題，甚至會造成重大工程事故。本文將巖爆發生的若干因素及其防治措施作一些討論。

巖爆影響因素防治措施

1　引言

隨著世界經濟的發展,人類對各種礦產資源、能源的需求日益增加,且越來越多的地下工程在修建,巖爆災害也頻繁發生。在地下工程開挖過程中，巖爆是圍巖各種失穩現象中最強烈的一種，由于其突發性和強大的破壞性，不僅威脅施工人員和設備安全，而且還嚴重影響工程進度和工程造價，現在已成為是世界性的地下工程難題之一，引起了國內外的普遍關注，并促進了巖爆研究的進展。

2　巖爆的成因

2.1巖爆的分類

從工程實踐出發,考慮巖爆的危害方式、危害程度以及防治對策等,按破裂程度巖爆可分為以下幾種。

2.1.1破裂松弛型

圍巖成塊狀、板狀或片狀爆裂,爆裂響聲微弱,破裂的巖塊少部分與洞壁母巖斷開,但彈射距離很小,頂板巖爆的石塊主要是墜落。

2.1.2爆裂彈射型

巖爆的巖塊完全脫離母巖,經安全處理后留下巖爆破裂坑。巖爆發生時的爆裂聲響如槍聲,彈射的巖塊最大不超過1/3m3,也有粉末狀的巖粉噴射。主要危害是彈射的巖片傷人,對機械設備無多大影響。

2.1.3爆炸拋射型

有巨石拋射,聲響如炮彈,拋石體積幾立方米至數十立方米,拋射距離數米至二十米,對機械、支撐造成大的破壞。

2.2巖爆的發生機制

巖爆是高地應力的產物,其機制一般描述為:巖爆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,徑向約束卸除,環向應力驟然增加,能量進一步集中,在集中應力作用下,產生突發性脹剪脆性破壞。彈性應變能伴隨聲響和震動部分得以消耗。同時,剩余能量轉化的動能使圍巖急劇動態失穩,造成巖片（塊）脫離母體,獲得有效彈射,猛然向臨空方向拋（彈）射。巖體產生了快速“劈裂-剪折-彈射”漸進破壞過程的動力破壞現象。

一般認為巖爆是有由開采過程誘發并伴隨有微震活動性和彈性能猛烈釋放的巖體結構的破壞過程。由于開挖對原有地應力場產生擾動，當應力的再分布使圍巖介質達到破壞的臨界狀態時，某些外界因素（爆破應力波等）可能導致圍巖的劇烈破壞。通過巖爆的孕育發生機理可知:與靜力學相比，巖爆的特殊性表現在其發生過程是動態的;與動力學相比，巖爆的孕育過程是靜態的。它是由靜態變形到失去其穩定、最后出現失穩的力學過程，是巖體結構在靜態地應力條件下逐漸失去其承載能力最后失去其穩定性的結果。

因此巖內儲備有足夠的彈性應變能和引起破壞的應力集中部位是巖爆發生的兩個主要條件。

2.3巖爆的特征

經調查研究發現,巖爆在破壞斷面和彈射巖塊的幾何特征、力學特征、動力特征、巖體特征方面具有以下特點。

2.3.1爆裂面的幾何特征

巖爆坑邊緣多為階梯面,其中一組爆裂面與原開挖洞壁平行,另一組與洞壁斜交。爆裂面以新鮮破裂為主,新鮮面上爆裂紋定向排列,與隧洞切向應力大體平行。從洞壁彈射出來的巖塊及靠近爆裂面殘留下來的斷塊多為棱塊狀、透鏡狀、磷片狀、片狀,少數為板狀。

2.3.2破裂面的力學特征

由巖爆破壞斷面統計,爆裂面主要為兩組,一組與最大初始應力作用方向平行,破裂角β=0～5°,另一組斜交,β=20～25°,屬脆性破壞范圍。通過對兩組斷面及彈射巖塊斷口電鏡掃描分析,前一組破裂面為張性破裂面,后一組斜交洞壁的破裂面屬張剪破裂面。綜上可見,巖爆屬于張、剪脆性破壞。

2.3.3巖爆的動力特征

巖爆拋射具有一定的初速度。弱巖爆巖塊彈射的平均速度V0一般小于2 m/s,中等巖爆V0>2～5 m/s,強烈巖爆V0=5～10 m/s,嚴重巖爆V0>10 m/s。彈射物的分布范圍遠大于爆裂面的面積,并具有一定的散射角。

2.3.4巖爆的巖體特征

（1）所有的巖爆均發生在堅硬性脆的灰巖、白云巖洞段,砂巖及泥頁巖洞段未有巖爆發生。

（2）溶洞附近、溶蝕帶、規模較大的斷層帶及混雜角礫巖帶（角礫為泥巖砂巖及灰巖）無巖爆發生。

（3）巖石特別堅硬完整的洞段無巖爆發生。

（4）巖爆的巖塊呈中間厚、邊緣薄,或中間與邊緣厚度相差不大的餅狀。爆裂面部分為新鮮斷口,部分為鐵質浸染的微裂隙面。

（5）未見明顯的巖爆巖塊彈射現象,甚至某些巖爆沒有脫離母巖；但伴有爆裂的聲響,如鞭炮爆炸、劈柴、冰層開裂。因此,將巖爆分為松馳和松脫兩種類型,前者未脫離母巖,后者脫離母巖。

3　巖爆的預測

巖爆預測方法主要有2種,目測法及監測法。

3.1目測方法

肉眼觀看是預測巖爆的基本方法,主要通過觀察地下工程圍巖巖石剝裂情況,巖爆剝裂厚度一般為1cm左右,并可見新鮮巖石斷裂面。觀察地下工程交叉處及應力集中處,注意是否存在震動、響聲及大量的巖體斷裂破壞現象。

3.2監測方法

監測方法主要包括地質雷達、紅外線觀測、巖體聲發射監測儀監測等。引進地質雷達、紅外線及巖體聲發射監測儀配合地質人員作地質預測預報工作。地下工程預報人員便可以根據圍巖完整性、強度、地下水、斷層等情況,超前進行圍巖巖爆預測,最大限度地減少、避免工程事故發生。

這些實測方法還存在一些問題。首先是準確性不高，由于目前對巖爆的機理還尚未完全弄清楚，又因為不同的地下工程中所發生的巖爆種類、性質、成因、震級都不一樣，因此使用這些實測法進行巖爆的預測，很難獲得所有反映巖爆的原始數據，這就降低了預測巖爆的準確性。其次是預報的時間不長。由于所有的實測法沒有考慮時間因素，如果預報時間不長，這對預報巖爆是沒有實際意義的，只有盡可能提前預報，才能在短時間內采取有效的措施以避免巖爆的發生，這才是最重要的。

4　巖爆的治理措施

4.1選擇合適的開挖方法

在估計可能發生巖爆的區段,在原光面爆破的基礎上,減少光爆層的周邊眼孔距,使用小藥卷和高段別毫秒雷管,同時降底同段起爆藥量,盡量消除誘發巖爆的因素,并使開挖斷面周邊基本圓順,避免新的局部應力集中。

4.2選擇合理的支護方式

巖爆的成因主要取決于地質條件、地應力條件和施工觸發因素。為減輕巖爆的危害,在預測的同時就是在洞室開挖前和開挖后對圍巖采取支護措施,這樣做不僅可以改善應力的大小且還能使洞室周邊的巖體從平面應力狀態變為空間三向應力狀態,從而達到減輕巖爆險并且還能起到防護作用,確保安全施工。根據現場圍巖的完整性、強度、是否存在斷層等情況,及預測情況,在開挖后根據也發特征,針對性的采取了以下幾種支護措施。

（1）錨桿+噴射混凝土支護:根據施工現場情況，采取錨桿+噴射混凝土支護,錨桿為Ф28,梅花型布置,間距1.5～2.0m，長度2.0～3.0m,還補噴10～15cm厚的素混凝土。實踐證明,該方法對預防滯后型巖爆有很好的效果。

（2）錨桿+鋼筋網+噴射混凝土支護:巖爆發生后圍巖會產生一個松動圈,厚度1～2m。為防止地質環境繼續惡化,經過試驗對此類巖爆后以采取錨桿+鋼筋網+噴射混凝土支護方案效果最佳。本支護方案可有效地使應力向圍巖深部轉移,是一種經濟有效的支護措施。

（3）錨桿+噴射鋼釬維混凝土:該支護措施一種新材料、新工藝的嘗試,在混凝土中摻入3%～5%的鋼纖維,明顯提高了混凝土的抗拉強度和韌度系數,從試件情況看,混凝土抗拉強度提高了約80%,但因機具及造價原因未能全面應用。

4.3其他措施

爆破后立即向工作面、爆破面噴水,潤濕圍巖,即可以降塵又可以緩解圍巖應力。

5　結論

巖爆是礦山坑道、水電洞室、交通隧洞等地下工程的一大地質災害,巖爆實質上是因在高地應力巖體或礦體中進行掘進或開采，引起巖體或礦體中聚集的應變能突然釋放，誘導了人工地震——巖爆的發生。巖爆的發生機理仍不十分清楚，這正是巖爆的預測和控制的研究還遠不能滿足安全開挖的主要原因，因此已成為是世界性的地下工程難題之一。要徹底避免巖爆是非常困難的，幾乎不可能，但我們可以根據以往的經驗，結合工程中遇到的巖爆相關的現象，結合實際的地質及現場因素，針對巖爆發生的條件，采取積極的措施。因此，用地震學方法預測預報巖爆發生與否是值得我國重視的，可作研究方向之一。

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U445.53[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-384-2