巖爆的破壞機(jī)理與防治措施

李丹鋒 張 清

二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051

巖爆的破壞機(jī)理與防治措施

李丹鋒 張 清

二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051

巖爆事故能夠?qū)е轮ёo(hù)系統(tǒng)被摧毀，引起大規(guī)模巖體坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致人員被困或者傷亡事故發(fā)生。本文分析了巖爆的特征和分類，研究了巖爆預(yù)防判斷的準(zhǔn)則和發(fā)生機(jī)理，并從改善圍巖應(yīng)力和性質(zhì)、加固圍巖以及管理方面提出巖爆的防治應(yīng)對(duì)措施，能夠?yàn)閹r爆事故的預(yù)防與控制提供工作參考和技術(shù)指導(dǎo)。

巖爆；破壞機(jī)理；防治措施

一、巖爆的特征

巖爆，又稱礦山?jīng)_擊，是具有大量彈性應(yīng)變能儲(chǔ)備的硬質(zhì)脆性巖體，由于洞室開(kāi)挖，使地應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力躍升及能量進(jìn)一步集中，而產(chǎn)生張－剪脆性破壞，在消耗部分彈性應(yīng)變能的同時(shí)，剩余能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，造成巖片（塊）脫離母體，向臨空方向猛烈拋（彈、散）射的動(dòng)力破壞現(xiàn)象。該現(xiàn)象經(jīng)歷“劈裂成板－剪斷成塊－塊片彈射”漸進(jìn)過(guò)程，并伴隨聲響和震動(dòng)，是深埋洞室特有的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。

從巖性來(lái)看，巖爆多發(fā)生在堅(jiān)硬性脆的巖層中，如花崗巖、石英巖、片麻巖、斑巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖、砂巖、灰?guī)r、硬煤等。這些巖層或?yàn)榉菍訝畹闹旅艽嘤残詭r層，或?yàn)楫a(chǎn)狀近似于水平的脆硬性巖層，它們開(kāi)挖前整體完好，不見(jiàn)張開(kāi)節(jié)理，僅見(jiàn)少量的密閉構(gòu)造節(jié)理。從地質(zhì)構(gòu)造上來(lái)看，在地應(yīng)力集中地區(qū)（如地質(zhì)構(gòu)造線轉(zhuǎn)折與相交部位）以及洞室軸線與壓性構(gòu)造線相平行時(shí)（即洞室軸線與地區(qū)最大主應(yīng)力方向垂直或近于垂直時(shí)），往往可能使巖爆加劇。就洞室與導(dǎo)坑斷面形式而言，方形、梯形的較拱形、圓形的洞室或?qū)Э訋r爆更為嚴(yán)重。

二、巖爆的分類

（1）按巖爆活動(dòng)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(jī)理

巖爆發(fā)生的原因是具高蓄能特性的硬脆性巖體中，積蓄的應(yīng)變能突然釋放，導(dǎo)致的結(jié)果是巖體的斷裂破壞。

巖爆是高應(yīng)力硬脆巖體中常見(jiàn)的一種巖石破壞現(xiàn)象。地下洞室?guī)r爆常以片狀剝落的形式出現(xiàn)，形成蔥皮狀結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生巖爆需要一定的應(yīng)力條件及巖體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)條件。通常多為完整的整體塊狀結(jié)構(gòu)及厚層狀結(jié)構(gòu)，巖石硬脆，單軸抗壓強(qiáng)度在1500kg/cm2以上，聲波速度大于6000m/s，且只有當(dāng)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力與巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度之比值大于0.15～0.2的高應(yīng)力條件下才可能發(fā)生。洞室的軸向布置即與初始應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力的關(guān)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(yīng)力垂直且洞室具非平滑輪廓時(shí)容易產(chǎn)生巖爆，因?yàn)檫@時(shí)洞壁圍巖的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，洞壁的超欠挖亦惡化了圍巖的應(yīng)力集中程度，使巖爆更容易發(fā)生。

從宏觀現(xiàn)象上來(lái)看巖爆的本質(zhì)是彈性應(yīng)變能的大量突然釋放，但其發(fā)生機(jī)理是巖體的斷裂破壞。巖體中存在數(shù)目眾多的呈隨機(jī)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(yù)測(cè)和防治是一個(gè)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(yù)測(cè)還存在困難，特別是因不可預(yù)見(jiàn)的地質(zhì)變化都可能引發(fā)難于預(yù)測(cè)的情況。目前世界上對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)沒(méi)有一套相對(duì)成熟的方法，不能精確預(yù)報(bào)出巖爆的等級(jí)和巖爆發(fā)生的部位，僅能進(jìn)行宏觀預(yù)測(cè)為主，并結(jié)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(fā)生的可能性越大。

（2）抗壓強(qiáng)度越大，發(fā)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(fā)生巖爆。

（4）復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶容易發(fā)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(yīng)力，聚積有大力的彈性能，一旦進(jìn)行開(kāi)挖就有可能發(fā)生巖爆。

（5）在鉆孔過(guò)程中還可以獲得諸如爆裂聲、摩擦聲和卡鉆現(xiàn)象等具有輔助判斷作用的動(dòng)力響應(yīng)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(jī)理

通過(guò)對(duì)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(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度的比值，在較低的情況下就可能出現(xiàn)巖爆。

（2）巖爆多發(fā)生在新鮮、完整及堅(jiān)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(fā)生在洞室開(kāi)挖后數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)，也有持續(xù)一至幾個(gè)月后逐漸減弱或停止的。一般而言，比較劇烈的巖爆多發(fā)生在開(kāi)挖后數(shù)小時(shí)內(nèi)。

綜上所述，發(fā)生巖爆的巖體雖然在宏觀上是完整的，但在微觀上其內(nèi)部存在著許多隨機(jī)分布的微裂隙，或用常規(guī)手段無(wú)法發(fā)現(xiàn)的非常小的不均勻粒子，當(dāng)圍巖受力后其中處于最不利方向的裂隙端部，將會(huì)產(chǎn)生極高的集中拉應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力足以克服分子引力造成的內(nèi)聚力，使裂隙端部產(chǎn)生新的拉伸破裂。

一般情況下，巖體的宏觀破裂并非是單個(gè)裂紋擴(kuò)展形成的，而且單個(gè)裂紋的擴(kuò)展方向與宏觀方向也不一致。只有當(dāng)微裂隙破裂和相鄰裂隙相互連通起來(lái)，逐步形成裂隙帶后，才有可能從微觀破裂發(fā)展成為宏觀破壞。而宏觀破壞的形態(tài)，可能是剪切或張性破裂，這取決于巖石的結(jié)構(gòu)和裂隙開(kāi)展的方向等多種因素。由此可以得出，巖爆破壞的進(jìn)程可以分為三個(gè)階段：低應(yīng)力狀態(tài)下的微裂紋擴(kuò)展→微裂隙相互貫通，形成宏觀破壞→巖體中貯存的彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(jí)表

表2 巖爆分類表

四、巖爆的防治措施

1、改善圍巖應(yīng)力

如果能使圍巖應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度就不會(huì)發(fā)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(shè)計(jì)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(gòu)造復(fù)活或形成巖爆的誘發(fā)因素。

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

（3）在開(kāi)挖爆破時(shí)，采用光面爆破，必要時(shí)修正掌子面形態(tài)，同時(shí)采用短進(jìn)尺控制爆破開(kāi)挖，每次開(kāi)挖進(jìn)尺小于2m，以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

（4）改變導(dǎo)坑段面形狀。在開(kāi)挖過(guò)程中，改變導(dǎo)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(zhǎng)期摸索出來(lái)的一種治理沖擊地壓的方法，削弱空區(qū)頂板與待采區(qū)頂板巖層的力學(xué)聯(lián)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(fā)位移，圍巖可以釋放能量。

（8）應(yīng)力解除。在預(yù)計(jì)可能發(fā)生巖爆的洞段內(nèi)，通過(guò)人工進(jìn)行垂直于掌子面的超深鉆孔施爆工作，造成掌子面內(nèi)相當(dāng)深度的地方成為一個(gè)破碎帶，以減輕掌子面上的壓力。

2、改變圍巖性質(zhì)

（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(qiáng)度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度；同時(shí)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(zhǎng)爆破時(shí)間，減輕爆破對(duì)圍巖的影響，減小爆破動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加，降低巖爆頻率和強(qiáng)度。

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

（4）在強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)用臺(tái)車打應(yīng)力釋放孔。

（5）在巖爆出現(xiàn)區(qū)域，可以考慮先采取導(dǎo)洞開(kāi)挖，再進(jìn)行擴(kuò)挖的方式，以逐漸釋放地應(yīng)力的施工方法。

3、加固圍巖的方法

（1）輕微巖爆可對(duì)巖壁進(jìn)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(zhì)量噴射混凝土來(lái)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(zhì)量噴射混凝土；同時(shí)采用3m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿或水脹式錨桿，間距1m×1m，。視巖爆強(qiáng)度隨機(jī)增設(shè)鋼筋拱肋，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)錨桿和后續(xù)掛網(wǎng)噴射混凝土施工。

（3）強(qiáng)烈?guī)r爆可初噴10cm厚的CF30仿鋼纖維混凝土等高質(zhì)量噴射混凝土；同時(shí)采用3～5m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿或水脹式錨桿，間距0.8m×0.8m。系統(tǒng)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(qiáng)巖爆可初噴10cm厚的CF30仿鋼纖維混凝土等高質(zhì)量噴射混凝土；同時(shí)采用3～5m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿或水脹式錨桿，間距0.5m×0.5m。系統(tǒng)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(fā)生和已經(jīng)發(fā)生巖爆的洞段設(shè)置警示通告牌，在巖爆區(qū)域外的安全地帶設(shè)專人負(fù)責(zé)警戒，避免不知情人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)通告應(yīng)包括：風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)施人、巖爆等級(jí)、施工人員注意事項(xiàng)、巖爆的預(yù)兆、巖爆的規(guī)避措施等內(nèi)容。

（2）在巖爆洞段施工作業(yè)人員應(yīng)穿防彈衣和佩戴鋼盔。

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

（4）所有機(jī)械、車輛操作室等重要部位需加固防護(hù)。

（5）對(duì)于強(qiáng)/極強(qiáng)巖爆，嚴(yán)格按照如下施工順序施工，同時(shí)在整個(gè)施工過(guò)程中，微震監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)開(kāi)展。

實(shí)施超前錨桿支護(hù)→應(yīng)力解除爆破→危石清理及高壓水沖洗→經(jīng)安全評(píng)估后進(jìn)行出碴作業(yè)→及時(shí)噴射混凝土（必要時(shí)包括掌子面）→及時(shí)實(shí)施防巖爆錨固措施→后續(xù)實(shí)施系統(tǒng)支護(hù)（必須在下一個(gè)爆破循環(huán)前完成）→經(jīng)安全評(píng)估后進(jìn)入下一次循環(huán)。

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

（7）在強(qiáng)/極強(qiáng)巖爆洞段出碴時(shí)，出碴車輛等待出碴時(shí)應(yīng)停放在劃定的安全區(qū)域，并應(yīng)保證足夠的出碴車輛數(shù)量，以保證在爆破后盡快完成出碴作業(yè)。

（8）發(fā)生巖爆時(shí)，停止施工，切斷機(jī)械設(shè)備電源，施工人員迅速撤離至安全地帶。同時(shí)撥打急救電話通知洞外值班人員巖爆發(fā)生情況，以利洞外人員啟用緊急應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)組織進(jìn)行搶險(xiǎn)救援工作。

五、結(jié)束語(yǔ)

精確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆仍舊是個(gè)世界性難題，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，盡可能地通過(guò)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)資料配合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)切實(shí)研究巖爆的防治應(yīng)作為施工管理現(xiàn)階段的主要任務(wù)，同時(shí)從大量的施工實(shí)踐中也不難發(fā)現(xiàn)，采取一些必要的管理手段和工程技術(shù)手段，是可以減少巖爆發(fā)生的頻率和強(qiáng)度的，同時(shí)也是能夠保證施工人員和施工設(shè)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(jí)工程師，從事水電工程建設(shè)管理工作，二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司安全監(jiān)察部主任。

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