巖爆的成因及防治措施

楊光

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)廣東珠海519099）

巖爆的成因及防治措施

楊光

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)廣東珠海519099）

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)的地下工程在開(kāi)挖過(guò)程中或開(kāi)挖完畢后，由于彈性變形能的瞬間釋放而產(chǎn)生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)現(xiàn)象。巖爆是地下工程施工的一大地質(zhì)災(zāi)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(wěn)定帶來(lái)很多的問(wèn)題，甚至?xí)斐芍卮蠊こ淌鹿?。本文將巖爆發(fā)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)各種礦產(chǎn)資源、能源的需求日益增加,且越來(lái)越多的地下工程在修建,巖爆災(zāi)害也頻繁發(fā)生。在地下工程開(kāi)挖過(guò)程中，巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現(xiàn)象中最強(qiáng)烈的一種，由于其突發(fā)性和強(qiáng)大的破壞性，不僅威脅施工人員和設(shè)備安全，而且還嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和工程造價(jià)，現(xiàn)在已成為是世界性的地下工程難題之一，引起了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，并促進(jìn)了巖爆研究的進(jìn)展。

2　巖爆的成因

2.1巖爆的分類(lèi)

從工程實(shí)踐出發(fā),考慮巖爆的危害方式、危害程度以及防治對(duì)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(kāi),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(jīng)安全處理后留下巖爆破裂坑。巖爆發(fā)生時(shí)的爆裂聲響如槍聲,彈射的巖塊最大不超過(guò)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(duì)機(jī)械設(shè)備無(wú)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(shù)十立方米,拋射距離數(shù)米至二十米,對(duì)機(jī)械、支撐造成大的破壞。

2.2巖爆的發(fā)生機(jī)制

巖爆是高地應(yīng)力的產(chǎn)物,其機(jī)制一般描述為:巖爆是具有大量彈性應(yīng)變能儲(chǔ)備的硬質(zhì)脆性巖體由于洞室開(kāi)挖,徑向約束卸除,環(huán)向應(yīng)力驟然增加,能量進(jìn)一步集中,在集中應(yīng)力作用下,產(chǎn)生突發(fā)性脹剪脆性破壞。彈性應(yīng)變能伴隨聲響和震動(dòng)部分得以消耗。同時(shí),剩余能量轉(zhuǎn)化的動(dòng)能使圍巖急劇動(dòng)態(tài)失穩(wěn),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(chǎn)生了快速“劈裂-剪折-彈射”漸進(jìn)破壞過(guò)程的動(dòng)力破壞現(xiàn)象。

一般認(rèn)為巖爆是有由開(kāi)采過(guò)程誘發(fā)并伴隨有微震活動(dòng)性和彈性能猛烈釋放的巖體結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程。由于開(kāi)挖對(duì)原有地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，當(dāng)應(yīng)力的再分布使圍巖介質(zhì)達(dá)到破壞的臨界狀態(tài)時(shí)，某些外界因素（爆破應(yīng)力波等）可能導(dǎo)致圍巖的劇烈破壞。通過(guò)巖爆的孕育發(fā)生機(jī)理可知:與靜力學(xué)相比，巖爆的特殊性表現(xiàn)在其發(fā)生過(guò)程是動(dòng)態(tài)的;與動(dòng)力學(xué)相比，巖爆的孕育過(guò)程是靜態(tài)的。它是由靜態(tài)變形到失去其穩(wěn)定、最后出現(xiàn)失穩(wěn)的力學(xué)過(guò)程，是巖體結(jié)構(gòu)在靜態(tài)地應(yīng)力條件下逐漸失去其承載能力最后失去其穩(wěn)定性的結(jié)果。

因此巖內(nèi)儲(chǔ)備有足夠的彈性應(yīng)變能和引起破壞的應(yīng)力集中部位是巖爆發(fā)生的兩個(gè)主要條件。

2.3巖爆的特征

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),巖爆在破壞斷面和彈射巖塊的幾何特征、力學(xué)特征、動(dòng)力特征、巖體特征方面具有以下特點(diǎn)。

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(kāi)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(yīng)力大體平行。從洞壁彈射出來(lái)的巖塊及靠近爆裂面殘留下來(lái)的斷塊多為棱塊狀、透鏡狀、磷片狀、片狀,少數(shù)為板狀。

2.3.2破裂面的力學(xué)特征

由巖爆破壞斷面統(tǒng)計(jì),爆裂面主要為兩組,一組與最大初始應(yīng)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(guò)對(duì)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?gòu)埣羝屏衙?。綜上可見(jiàn),巖爆屬于張、剪脆性破壞。

2.3.3巖爆的動(dòng)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(qiáng)烈?guī)r爆V0=5～10 m/s,嚴(yán)重巖爆V0>10 m/s。彈射物的分布范圍遠(yuǎn)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(fā)生在堅(jiān)硬性脆的灰?guī)r、白云巖洞段,砂巖及泥頁(yè)巖洞段未有巖爆發(fā)生。

（2）溶洞附近、溶蝕帶、規(guī)模較大的斷層帶及混雜角礫巖帶（角礫為泥巖砂巖及灰?guī)r）無(wú)巖爆發(fā)生。

（3）巖石特別堅(jiān)硬完整的洞段無(wú)巖爆發(fā)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(zhì)浸染的微裂隙面。

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

3　巖爆的預(yù)測(cè)

巖爆預(yù)測(cè)方法主要有2種,目測(cè)法及監(jiān)測(cè)法。

3.1目測(cè)方法

肉眼觀看是預(yù)測(cè)巖爆的基本方法,主要通過(guò)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(jiàn)新鮮巖石斷裂面。觀察地下工程交叉處及應(yīng)力集中處,注意是否存在震動(dòng)、響聲及大量的巖體斷裂破壞現(xiàn)象。

3.2監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)方法主要包括地質(zhì)雷達(dá)、紅外線觀測(cè)、巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)等。引進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)、紅外線及巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀配合地質(zhì)人員作地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。地下工程預(yù)報(bào)人員便可以根據(jù)圍巖完整性、強(qiáng)度、地下水、斷層等情況,超前進(jìn)行圍巖巖爆預(yù)測(cè),最大限度地減少、避免工程事故發(fā)生。

這些實(shí)測(cè)方法還存在一些問(wèn)題。首先是準(zhǔn)確性不高，由于目前對(duì)巖爆的機(jī)理還尚未完全弄清楚，又因?yàn)椴煌牡叵鹿こ讨兴l(fā)生的巖爆種類(lèi)、性質(zhì)、成因、震級(jí)都不一樣，因此使用這些實(shí)測(cè)法進(jìn)行巖爆的預(yù)測(cè)，很難獲得所有反映巖爆的原始數(shù)據(jù)，這就降低了預(yù)測(cè)巖爆的準(zhǔn)確性。其次是預(yù)報(bào)的時(shí)間不長(zhǎng)。由于所有的實(shí)測(cè)法沒(méi)有考慮時(shí)間因素，如果預(yù)報(bào)時(shí)間不長(zhǎng)，這對(duì)預(yù)報(bào)巖爆是沒(méi)有實(shí)際意義的，只有盡可能提前預(yù)報(bào)，才能在短時(shí)間內(nèi)采取有效的措施以避免巖爆的發(fā)生，這才是最重要的。

4　巖爆的治理措施

4.1選擇合適的開(kāi)挖方法

在估計(jì)可能發(fā)生巖爆的區(qū)段,在原光面爆破的基礎(chǔ)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(shí)降底同段起爆藥量,盡量消除誘發(fā)巖爆的因素,并使開(kāi)挖斷面周邊基本圓順,避免新的局部應(yīng)力集中。

4.2選擇合理的支護(hù)方式

巖爆的成因主要取決于地質(zhì)條件、地應(yīng)力條件和施工觸發(fā)因素。為減輕巖爆的危害,在預(yù)測(cè)的同時(shí)就是在洞室開(kāi)挖前和開(kāi)挖后對(duì)圍巖采取支護(hù)措施,這樣做不僅可以改善應(yīng)力的大小且還能使洞室周邊的巖體從平面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榭臻g三向應(yīng)力狀態(tài),從而達(dá)到減輕巖爆險(xiǎn)并且還能起到防護(hù)作用,確保安全施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的完整性、強(qiáng)度、是否存在斷層等情況,及預(yù)測(cè)情況,在開(kāi)挖后根據(jù)也發(fā)特征,針對(duì)性的采取了以下幾種支護(hù)措施。

（1）錨桿+噴射混凝土支護(hù):根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，采取錨桿+噴射混凝土支護(hù),錨桿為Ф28,梅花型布置,間距1.5～2.0m，長(zhǎng)度2.0～3.0m,還補(bǔ)噴10～15cm厚的素混凝土。實(shí)踐證明,該方法對(duì)預(yù)防滯后型巖爆有很好的效果。

（2）錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù):巖爆發(fā)生后圍巖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈,厚度1～2m。為防止地質(zhì)環(huán)境繼續(xù)惡化,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)此類(lèi)巖爆后以采取錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)方案效果最佳。本支護(hù)方案可有效地使應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移,是一種經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)措施。

（3）錨桿+噴射鋼釬維混凝土:該支護(hù)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(qiáng)度和韌度系數(shù),從試件情況看,混凝土抗拉強(qiáng)度提高了約80%,但因機(jī)具及造價(jià)原因未能全面應(yīng)用。

4.3其他措施

爆破后立即向工作面、爆破面噴水,潤(rùn)濕圍巖,即可以降塵又可以緩解圍巖應(yīng)力。

5　結(jié)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(zhì)災(zāi)害,巖爆實(shí)質(zhì)上是因在高地應(yīng)力巖體或礦體中進(jìn)行掘進(jìn)或開(kāi)采，引起巖體或礦體中聚集的應(yīng)變能突然釋放，誘導(dǎo)了人工地震——巖爆的發(fā)生。巖爆的發(fā)生機(jī)理仍不十分清楚，這正是巖爆的預(yù)測(cè)和控制的研究還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足安全開(kāi)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(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程中遇到的巖爆相關(guān)的現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)因素，針對(duì)巖爆發(fā)生的條件，采取積極的措施。因此，用地震學(xué)方法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生與否是值得我國(guó)重視的，可作研究方向之一。

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U445.53[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-384-2