巖爆形成機(jī)理的基本分析

郭銳 李偉 周志廣

1 概述

巖爆是高地應(yīng)力條件下，隧道等地下工程洞室開挖過程中，因開挖卸荷引起洞室周邊圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力分異作用，儲存于硬脆性圍巖中的彈性應(yīng)變能突然釋放且產(chǎn)生爆裂脫落、剝離、彈射甚至拋擲性等破壞現(xiàn)象的一種常見動(dòng)力失穩(wěn)施工地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度。

隨著人類活動(dòng)向地下空間的延伸，在高地應(yīng)力區(qū)修建的水電站地下廠房、隧洞等地下工程越來越多，其埋深也越來越大，隨之而來的巖爆現(xiàn)象也越來越突出，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1949年～1985年，在我國32個(gè)重要煤礦中，至少曾經(jīng)發(fā)生1842起煤爆和巖爆，在一些嚴(yán)重的巖爆發(fā)生區(qū)，曾有數(shù)以噸計(jì)的巖塊、巖片和巖板拋出。在水電工程中巖爆也頻繁發(fā)生，如二灘、映秀灣、漁子溪、太平驛、錦屏、天生橋二級等水電站的地下工程在修建過程中都發(fā)生過不同程度的巖爆。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，目前世界上大約有18個(gè)國家和地區(qū)已有大型巖爆發(fā)生，所以巖爆已經(jīng)成為全球性的地質(zhì)災(zāi)害。

正因?yàn)槿绱?，在地下工程中，巖爆一直受到人們的關(guān)注。然而，自1738年在英國發(fā)生人類有文字記載以來的第一次巖爆距今已經(jīng)200多年了，可巖爆的理論研究是從20世紀(jì)20年代～30年代才開展起來的，雖然歷經(jīng)幾代學(xué)者的努力，巖爆的理論研究有了一定程度的發(fā)展，但由于巖體自身的復(fù)雜性，很難用數(shù)學(xué)方法來準(zhǔn)確推斷和預(yù)測巖爆的發(fā)生，所以人們對巖爆的理論研究仍然處于探索階段，還有待進(jìn)一步深入。到目前，國內(nèi)外學(xué)者們就巖爆發(fā)生的一個(gè)或幾個(gè)條件，提出了側(cè)重于某一方面的巖爆理論，這些理論有:能量理論、剛度理論、強(qiáng)度理論、分形維數(shù)理論、微重力理論、綜合理論、失穩(wěn)理論等。

基于巖爆在地下工程中的嚴(yán)重性和危險(xiǎn)性，本文簡單地介紹了這些理論，并且加以分析和探討，以便于為地下工程實(shí)踐中的巖爆預(yù)測、預(yù)防提供一個(gè)理論依據(jù)。

2 巖爆理論的綜述

2.1 能量理論

人們普遍認(rèn)識到巖體中應(yīng)變能的集中在巖爆的發(fā)生中起著舉足輕重的作用。但是，直到1965年，才由庫侖等人經(jīng)過一系列的巖爆試驗(yàn)研究，提出了基于試驗(yàn)結(jié)果的能量理論。由于這個(gè)理論沒有考慮巖爆的時(shí)間因素和空間因素，所以并不完善，后來又經(jīng)過一些學(xué)者的修正，提出了如下巖爆的能量判據(jù):

其中，EN為能量指標(biāo)，等于巖體中所集中的彈性應(yīng)變能ENe與發(fā)生塑性變形所消耗的能量ENp之比，依據(jù)這個(gè)指標(biāo)，對巖爆的發(fā)生可作如下判斷:

1)當(dāng) EN ＜2.0時(shí)，不易發(fā)生巖爆;2)當(dāng)2.0＜EN ＜5.0時(shí)，中等可能發(fā)生巖爆;3)當(dāng)EN＞5.0時(shí)，最有可能發(fā)生巖爆。

2.2 強(qiáng)度理論

霍克認(rèn)為一種被稱為巖石強(qiáng)度指數(shù)的指標(biāo)可以作為地下開挖面的失穩(wěn)判據(jù)。這個(gè)指標(biāo)就是RSi，它是最大主應(yīng)力值與單軸壓縮強(qiáng)度比值的3倍，即RSi=3σ1/Sc。依據(jù)這個(gè)指標(biāo)有如下判據(jù):當(dāng) RSi＜0.2 時(shí)，發(fā)生巖爆可能性低;當(dāng) RSi=0.2～0.4 時(shí)，發(fā)生巖爆可能性中等;當(dāng)RSi=0.4～0.6時(shí)，發(fā)生巖爆可能性高;當(dāng)RSi=0.6～0.8 時(shí)，發(fā)生巖爆可能性很高;當(dāng) RSi=0.8～1.0 時(shí)，發(fā)生巖爆可能性極高;當(dāng)RSi＞1.0時(shí)，發(fā)生巖爆。

由此可以看出，能量理論以巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為度量標(biāo)準(zhǔn)，從圍巖的靜力平衡條件出發(fā)，將各種強(qiáng)度準(zhǔn)則作為巖爆的判據(jù)，這種理論沒有明確的機(jī)理作為依據(jù)，只是根據(jù)單軸試驗(yàn)現(xiàn)象得出依據(jù)，不能準(zhǔn)確解釋巖塊(片)的彈射機(jī)理。然而巖爆的發(fā)生不僅取決于圍巖的強(qiáng)度，事實(shí)上，地下圍巖是處于一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力體系中，不可能只受單軸力，其破壞方式也是十分復(fù)雜的。許多地下工程的圍巖達(dá)到破裂狀態(tài)，并沒有進(jìn)入極限狀態(tài)，雖然圍巖中的微裂隙已進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，但圍巖的整體此時(shí)是穩(wěn)定的，只是這種局部范圍的不穩(wěn)定狀態(tài)可能導(dǎo)致巖爆。因此，為了更好地對巖石巖爆發(fā)生的可能性作出判斷，必須在此基礎(chǔ)上綜合考慮各方面的因素加以修正。

2.3 剛度理論

剛度理論的產(chǎn)生源于剛性壓力機(jī)，此理論由布萊克將其發(fā)展和完善，他認(rèn)為礦體的剛度大于圍巖的剛度是產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件。但是由于這種理論主要用于解釋煤礦沖擊地壓和礦柱巖爆問題，所以使用并不廣泛。我國阜新礦院認(rèn)為巖爆取決于巖石加載過程的剛度與應(yīng)力達(dá)到峰值以后卸載過程的剛度比值，并提出以剛度為參數(shù)的沖擊性指標(biāo):

其中，Km為應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線上加載過程的剛度;為應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線上達(dá)到峰值后的剛度。

當(dāng)FCF＜1時(shí)，就有巖爆發(fā)生的可能。

2.4 分形維數(shù)理論

自從分形幾何理論發(fā)現(xiàn)以來，其在各個(gè)領(lǐng)域都得到了充分的應(yīng)用與發(fā)展，那么，巖爆理論工作者也不例外，他們試圖將分形理論應(yīng)用于巖爆理論中以其揭示巖爆的發(fā)生機(jī)理，他們把巖石的破裂過程看成裂縫尖端微裂紋損傷發(fā)展的過程，由于微裂紋的分布特征是分?jǐn)?shù)維，故可將微裂紋損傷演化過程理解成分?jǐn)?shù)維的變化過程，通過AE法探測相應(yīng)于損傷微地震源的分布進(jìn)行分?jǐn)?shù)維分析，當(dāng)分?jǐn)?shù)維隨時(shí)間顯著減少時(shí)，即可能發(fā)生巖爆。

分形幾何理論在巖爆理論中的引用，勢必打破巖爆理論研究的傳統(tǒng)思維使巖爆理論的研究進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，同時(shí)，巖石破裂裂紋的分維數(shù)可能會(huì)成為判定巖爆發(fā)生的新參數(shù)。但是，由于分形理論本身的不完善性以及巖石裂紋的復(fù)雜性，我們很難去確定巖石裂紋的分維數(shù)。因此，要想分形理論在巖爆理論中得到更大發(fā)展仍需要各位學(xué)者們的努力。

2.5 其他理論

除了以上介紹的幾種巖爆理論以外，還有許多理論如沖擊傾向性理論、微重力理論、失穩(wěn)理論以及綜合理論等來表達(dá)巖爆的發(fā)生機(jī)理。沖擊傾向性理論是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測巖體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)，對巖爆的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測;綜合理論是我國煤炭部門提出的，它認(rèn)為只有同時(shí)滿足強(qiáng)度理論、沖擊傾向理論、能量理論才能產(chǎn)生沖擊地壓，才能發(fā)生巖爆;微重力理論實(shí)際上是用物探的方法對巖爆進(jìn)行預(yù)測，其理論基礎(chǔ)是脆性巖石的“擴(kuò)容”現(xiàn)象，即巖石在應(yīng)力的作用下，力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化，當(dāng)其應(yīng)變超過其臨界值時(shí)，巖石的體積會(huì)突然增大;失穩(wěn)理論是將圍巖看成一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，將巖爆當(dāng)作圍巖組成的力學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)力失穩(wěn)過程，即巖爆的發(fā)生是圍巖組成的變形系統(tǒng)由不穩(wěn)定平衡狀態(tài)變成新的穩(wěn)定狀態(tài)的過程。

3 結(jié)語

由前人的理論與試驗(yàn)研究可知，巖爆是在具有一定的彈性應(yīng)變能存儲條件的硬脆性巖體中開挖隧洞時(shí)，由于地應(yīng)力分異，圍巖應(yīng)力躍升，使得巖體內(nèi)原生裂隙發(fā)生張拉破壞發(fā)展為宏觀裂紋，并且其作用應(yīng)力隨之急劇調(diào)整升高，積蓄能量進(jìn)一步集中，使內(nèi)部破壞加速擴(kuò)展，成為宏觀破壞(剪、張脆性破壞)，而使巖片分離母巖，并同時(shí)獲得彈射引發(fā)力，使巖片向臨空方向彈射，在母巖體內(nèi)則產(chǎn)生震動(dòng)。它經(jīng)歷了內(nèi)部原生裂隙啟裂并穩(wěn)定擴(kuò)展→(應(yīng)力升高)非穩(wěn)定擴(kuò)展(新舊裂紋急劇擴(kuò)展)→宏觀破壞和彈射、震動(dòng)的“時(shí)序漸進(jìn)破壞過程”，也即是經(jīng)歷了穩(wěn)定破壞→加速破壞→動(dòng)力彈射、震動(dòng)過程。由此可以看出，巖爆的發(fā)生受多種因素的制約，不僅受巖石的巖性、地應(yīng)力、地下洞室的開挖方式、洞室的開挖形狀等影響，同時(shí)還受巖爆發(fā)生的時(shí)間和空間因素影響。

由上述可知，目前已有的巖爆機(jī)理理論無非是從巖石的彈性應(yīng)變能的積累上、強(qiáng)度上或裂縫的擴(kuò)展上著手，總而言之，就是考慮了巖爆發(fā)生條件中的一種或幾種，并沒有綜合考慮影響巖爆的各種因素。由中國煤炭部提出的一種考慮了強(qiáng)度理論、沖擊傾向理論、能量理論的綜合理論，這種理論看起來似乎綜合了幾個(gè)因素，其實(shí)嚴(yán)格來講，它只不過把這三種理論簡單的疊加起來了，并沒考慮其內(nèi)在聯(lián)系。不過，這畢竟是一種嘗試，與其他理論相比還有一定的進(jìn)步意義。隨著分形幾何的發(fā)展，其作為一種新的理論已經(jīng)應(yīng)用于巖爆的機(jī)理研究中，不過目前來看，還不成熟，有待進(jìn)一步的發(fā)展。

因?yàn)槲覀冄芯繋r爆的發(fā)生機(jī)理的目的就是為巖爆的預(yù)測與預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，為了在巖爆發(fā)生之前，有足夠的時(shí)間來對人員和設(shè)備進(jìn)行疏散、撤離，我們必須考慮巖爆的時(shí)空效應(yīng)，另外，巖爆的發(fā)生、發(fā)展也不是一蹴而就，是有一定過程的。當(dāng)然，我們在進(jìn)行理論研究的同時(shí)，還必須充分地發(fā)展巖爆的觀測手段和試驗(yàn)手段。隨著人類的發(fā)展，地上空間已經(jīng)不足以人們利用，勢必要向地下空間發(fā)展，那么巖爆現(xiàn)象也就越來越突出，我相信在不久的將來，巖爆的理論和試驗(yàn)研究將更加蓬勃發(fā)展。

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