巖爆的危害及在線監(jiān)測

胡學(xué)敏，陽 俊

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

經(jīng)過大量研究數(shù)據(jù)表明，巖爆災(zāi)害的發(fā)生地一般都是高地應(yīng)力區(qū)域，并且多數(shù)出現(xiàn)于較為干燥完整的硬脆性的巖體中。同時伴隨著挖掘深度的增加，巖爆災(zāi)害的概率、危害程度也會隨之增加，對各大工程的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。輕微的巖爆會導(dǎo)致巖石成片狀脫落，并不會出現(xiàn)彈射情況；重大巖爆發(fā)生時會有4.6 級地震時的感覺，強(qiáng)烈度高達(dá)8 度，并且還會對周圍地面上的建筑物帶來損害，聲響巨大。

1 巖爆簡介

巖爆是礦業(yè)、隧道等工程中圍巖體突然遭到破壞所致，在該過程中，巖體中應(yīng)變能會在瞬間得到釋放，從而導(dǎo)致巖石產(chǎn)生破裂最后失穩(wěn)。

巖爆在地下挖掘深度較深的工程中出現(xiàn)頻數(shù)較多，其屬于一種動力破壞現(xiàn)象，如果巖體中堆積聚集的高彈性應(yīng)變能＞巖石破壞所耗費(fèi)的能量，那么巖體結(jié)構(gòu)的平衡性能會消失，剩余能量則會致使巖石出現(xiàn)爆裂，巖石碎片會不斷脫落、崩出。

2 巖爆的危害以及發(fā)生條件

2.1 巖爆的危害

一般情況下，巖爆的危害主要發(fā)生在工程的施工階段，這對相關(guān)施工人員的生命安全與設(shè)備安全有著嚴(yán)重的威脅。巖爆目前是各類巖石地下工程以及巖石力學(xué)領(lǐng)域中的世紀(jì)性難題[1]。以上個世紀(jì)九十年代末期建設(shè)的拉平隧洞為例，該隧洞工程位于我國廣西壯族自治區(qū)東蘭縣，共出現(xiàn)了三次巖爆，分別是：①在挖掘隧洞時，扒碴機(jī)正在施工，此時聽到洞內(nèi)左側(cè)發(fā)生了與冰層開裂的聲響，施工人員立即離開操作臺，還未走遠(yuǎn)，洞左側(cè)墻壁崩出體積25m3的巖石，直接極愛那個扒碴機(jī)掀翻、砸壞；②在施工期間，工作人員正在操控鉆孔臺車進(jìn)行鉆眼時，拱頂突然發(fā)出清脆的巖爆聲響，并垂直落下體積大約在5m3左右的石塊，直接將鉆孔臺車臂砸至變形。之后鉆孔臺車還未離開施工現(xiàn)場，設(shè)計人員、監(jiān)理工程師以及眾施工人員正在對圍巖情況進(jìn)行詳細(xì)查看，拱頂又發(fā)出噼里啪啦響聲，此響聲大概持續(xù)了18s 左右，并掉落體積2m3的石塊，不僅砸在了鉆孔臺車臂上，還砸中了施鉆人員；③施工人員進(jìn)到洞穴內(nèi)對巖爆情況進(jìn)行觀察時，掌子面方向突然發(fā)出嘭的響聲，然后掌子面上部爆出數(shù)塊1.5kg左右重的塊石，爆出距離均在5m 左右。由此可見，對巖爆災(zāi)害實(shí)施科學(xué)有效的措施進(jìn)行預(yù)防或者治理刻不容緩，借此來降低巖爆的發(fā)生概率、減輕巖爆的危害性。

2.2 巖爆的發(fā)生條件

巖爆災(zāi)害是人類無法繼續(xù)向地球深部進(jìn)行開拓的主要原因，同時也是工程領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域所面臨的重大難題。雖然經(jīng)過眾多專家、學(xué)者對該災(zāi)害上百年的研究探索，最終在巖爆機(jī)理、預(yù)測預(yù)報以及巖爆防治等多個方面獲得了初步成果，但是由于巖爆屬于十分復(fù)雜的動力災(zāi)害現(xiàn)象，從發(fā)生到后來的發(fā)展會被各種內(nèi)在或外在因素影響，比如：地質(zhì)條件、開挖卸荷方式以及隧道斷面形狀等，所以，工程狀況不同，形成巖爆的原因也不同。最終能肯定的是，巖爆發(fā)生的原因與地應(yīng)力和巖性有直接關(guān)系，這就跟常規(guī)壓力試驗(yàn)機(jī)器中試件受到破壞時所產(chǎn)生的動態(tài)過程相同。從發(fā)生巖爆的區(qū)域取出一塊巖芯，且該巖芯的類型為砂巖，那么將其原有地應(yīng)力解除之后，將其放置常規(guī)性壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，其就能夠?qū)l(fā)生巖爆時的情景重新呈現(xiàn)出來[2]。這主要是由于巖石有著強(qiáng)大的記憶功能，細(xì)化來說，就是該砂巖在首次加載時調(diào)整至3 兆帕，那么會出現(xiàn)聲發(fā)射信號，持續(xù)加載的同時，其AE（聲發(fā)頻度）也會不斷提升，若是對其卸載后，再次對其進(jìn)行加載并調(diào)整至3 兆帕，此時巖石聲發(fā)射信號就會再次出現(xiàn)。如果加載＞20 兆帕?xí)r，其AE 數(shù)值會上升至最高，即試件破裂程度也會到達(dá)極限，此時有勢能的積累以及擴(kuò)容的積累會共同出現(xiàn)。當(dāng)高勢能轉(zhuǎn)變成動能時，擴(kuò)容速率會超過勢能的累積速率，從而出現(xiàn)迸發(fā)爆裂，某些試件的巖塊也會被噴出。所以，總結(jié)之后就是地下工程出現(xiàn)巖爆的條件有：有巖爆所需的能源；有積累、擴(kuò)容高勢能的環(huán)境；有高勢能變成動能的媒介。

不僅如此，當(dāng)出現(xiàn)以下集中情況時，也會發(fā)生巖爆災(zāi)害。即：①山體中地應(yīng)力偏高，且?guī)r體中保留的應(yīng)變能較大，大到已經(jīng)超出了硬巖石本身的強(qiáng)度時；②圍巖具備較強(qiáng)硬度、較高脆性以及較高彈性，且新鮮度、完整度高，無縫隙或者只有隱性裂縫，可以存儲能量，變形性質(zhì)是脆性破壞類型，在解除應(yīng)力之后，回彈變形極小；③埋深偏大，超過200m，距離溝谷切割的卸荷裂隙帶較遠(yuǎn)；④地下水較為缺乏，巖體較為干燥；⑤地下工程開挖過程中，其斷面形狀不合理，洞室群以及岔洞極多，或者是斷面出現(xiàn)變化從而導(dǎo)致局部應(yīng)力聚集的區(qū)域。

3 巖爆現(xiàn)場在線監(jiān)測技術(shù)

在開采礦山的過程中，應(yīng)力會不斷集中并致使硐室中圍巖應(yīng)力出現(xiàn)反復(fù)變化與調(diào)節(jié)，而若是巖體所遭受到的應(yīng)力＞自身所具備的強(qiáng)硬度時，巖爆災(zāi)害就會發(fā)生。為了能夠?qū)r爆災(zāi)害進(jìn)行合理預(yù)測預(yù)防，相關(guān)工作人員需要對硐室圍巖內(nèi)部應(yīng)力的大小變化情況進(jìn)行及時監(jiān)測與掌握，用此數(shù)據(jù)判斷巖體有無受到損傷和受損級別。在線監(jiān)測技術(shù)主要是針對巖體內(nèi)部應(yīng)力、變形程度和受損特征進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測記錄，從而得出該區(qū)域可能會出現(xiàn)巖爆災(zāi)害的幾率，并對其實(shí)施科學(xué)合理的措施進(jìn)行預(yù)防或控制，為礦山生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性提供有力保障。

近些年，無論是國外還是國內(nèi)，對巖爆災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測的方式有三種類型：①區(qū)域監(jiān)測。包含微震監(jiān)測、地音（聲發(fā)射）監(jiān)測以及電磁輻射法等。②位點(diǎn)監(jiān)測。應(yīng)用較多的有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測以及鉆屑法等；③綜合監(jiān)測。其主要是將多個監(jiān)測方式集為一體，其中多通道聲發(fā)射監(jiān)測與微震監(jiān)測占據(jù)主要地位，應(yīng)力監(jiān)測與位移監(jiān)測對其提供輔助[3]。以聲發(fā)射監(jiān)測儀為例，每個測量點(diǎn)的范圍控制在5m～8m 之間為最佳，兩個相鄰測點(diǎn)的距離不得超過16m，監(jiān)測時長單次至少為5 分鐘，并對每min 聲響的頻率進(jìn)行詳細(xì)記錄，以五個頻變值中Namx（數(shù)值最大的）當(dāng)做特征值，通常情況下，參考數(shù)值如下所示：

Namx 不低于20 次/min，可斷定巖本已經(jīng)受到了較為嚴(yán)重的破壞，此時需要每天監(jiān)測一次或一次往上；

當(dāng)Namx 處于每10 次/min 或以上，但是低于20 次/min 的范圍內(nèi)，那么可判斷出巖體受到了破壞，每天需要監(jiān)測一次；

Namx 在5 次/min 或 以 上，但 是 低 于10 次/min 的 范圍內(nèi)，那么巖體則是剛剛受到破壞，可每間隔一天監(jiān)測一次；

Namx 低于5 次/min 時，可每間隔兩天監(jiān)測一次。

此外，還需要對地下的惡劣環(huán)境進(jìn)行充分考慮，在選擇地音儀時，應(yīng)當(dāng)配備完好的放大器與高效益放大器，并多加查看輸出阻抗和探頭輸出阻抗是否匹配。如果是定性監(jiān)測，應(yīng)當(dāng)配置監(jiān)聽需要用到的耳機(jī)與數(shù)字記錄器；如果是定量監(jiān)測則應(yīng)當(dāng)配置高速記錄與磁帶記錄器。

但是，區(qū)域監(jiān)測中的方式對于范圍面積較大的礦震現(xiàn)象可以進(jìn)行監(jiān)測，然而卻無法做到對震源進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并且反應(yīng)震動能量高低時形式太過單一，極易受到各種因素的影響，同時也無法反應(yīng)出礦震對于巷道所產(chǎn)生的影響。所以目前各類工程在對巖爆進(jìn)行在線監(jiān)測時，會更多的應(yīng)用綜合監(jiān)測技術(shù)。根據(jù)巖爆的在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展情況來看，尤其是金屬硬巖石山，都將傳統(tǒng)較為單一的監(jiān)測技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合監(jiān)測技術(shù)。比如我國紅透山礦，應(yīng)用的是從國外引進(jìn)的6 通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)；冬瓜山銅礦應(yīng)用的則是將應(yīng)力監(jiān)測、位移監(jiān)測以及微震監(jiān)測集為一體的綜合監(jiān)測技術(shù)；湖南柿竹園礦應(yīng)用的是多通道聲發(fā)射監(jiān)測、單通道聲發(fā)射監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和位移監(jiān)測結(jié)合的綜合監(jiān)測技術(shù)。這種將區(qū)域監(jiān)測與位點(diǎn)監(jiān)測進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的實(shí)時在線監(jiān)測方法，不但能夠?qū)我槐O(jiān)測方式應(yīng)用中存在的問題予以解決，還能夠相輔相成，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而使得預(yù)警預(yù)報更加及時精準(zhǔn)。

4 結(jié)語

早在1987 年，聯(lián)合國就把巖爆定位為自然災(zāi)害的一種，這足以證明巖爆的危害性和破壞性，對此，相關(guān)部門及人員需要不斷對巖爆的出現(xiàn)機(jī)制、產(chǎn)生條件以及主要原因進(jìn)行探索研究，同時各大地下工程在施工過程中也要靈活運(yùn)用各種監(jiān)測技術(shù)，對其應(yīng)力、受損程度予以實(shí)時在線監(jiān)測，有助于后期對巖爆的預(yù)防和治理工作，也能夠?yàn)樯a(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性提供一定保障。