岩爆的成因及防治措施

[摘要]岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，由于弹性变形能的瞬间释放而产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质现象。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定带来很多的问题，甚至会造成重大工程事故。本文将岩爆发生的若干因素及其防治措施作一些讨论。

[关键词]岩爆 影响因素 防治措施

[中图分类号] U445.53 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-384-2

1引言

随着世界经济的发展， 人类对各种矿产资源、能源的需求日益增加， 且越来越多的地下工程在修建，岩爆灾害也频繁发生。在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中最强烈的一种，由于其突发性和强大的破坏性，不仅威胁施工人员和设备安全，而且还严重影响工程进度和工程造价，现在已成为是世界性的地下工程难题之一，引起了国内外的普遍关注，并促进了岩爆研究的进展。

2岩爆的成因

2.1岩爆的分类

从工程实践出发，考虑岩爆的危害方式、危害程度以及防治对策等， 按破裂程度岩爆可分为以下几种。

2.1.1破裂松弛型

围岩成块状、板状或片状爆裂， 爆裂响声微弱，破裂的岩块少部分与洞壁母岩断开， 但弹射距离很小， 顶板岩爆的石块主要是坠落。

2.1.2爆裂弹射型

岩爆的岩块完全脱离母岩， 经安全处理后留下岩爆破裂坑。岩爆发生时的爆裂声响如枪声， 弹射的岩块最大不超过1/3m3， 也有粉末状的岩粉喷射。主要危害是弹射的岩片伤人， 对机械设备无多大影响。

2.1.3爆炸抛射型

有巨石抛射， 声响如炮弹， 抛石体积几立方米至数十立方米， 抛射距离数米至二十米， 对机械、支撑造成大的破坏。

2.2岩爆的发生机制

岩爆是高地应力的产物，其机制一般描述为：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体由于洞室开挖，径向约束卸除，环向应力骤然增加，能量进一步集中，在集中应力作用下，产生突发性胀剪脆性破坏。弹性应变能伴随声响和震动部分得以消耗。同时，剩余能量转化的动能使围岩急剧动态失稳，造成岩片（块）脱离母体，获得有效弹射，猛然向临空方向抛（弹）射。岩体产生了快速“劈裂-剪折-弹射”渐进破坏过程的动力破坏现象。

一般认为岩爆是有由开采过程诱发并伴随有微震活动性和弹性能猛烈释放的岩体结构的破坏过程。由于开挖对原有地应力场产生扰动，当应力的再分布使围岩介质达到破坏的临界状态时，某些外界因素（爆破应力波等）可能导致围岩的剧烈破坏。通过岩爆的孕育发生机理可知：与静力学相比，岩爆的特殊性表现在其发生过程是动态的;与动力学相比，岩爆的孕育过程是静态的。它是由静态变形到失去其稳定、最后出现失稳的力学过程，是岩体结构在静态地应力条件下逐渐失去其承载能力最后失去其稳定性的结果。

因此岩内储备有足够的弹性应变能和引起破坏的应力集中部位是岩爆发生的两个主要条件。

2.3岩爆的特征

经调查研究发现， 岩爆在破坏断面和弹射岩块的几何特征、力学特征、动力特征、岩体特征方面具有以下特点。

2.3.1爆裂面的几何特征

岩爆坑边缘多为阶梯面， 其中一组爆裂面与原开挖洞壁平行， 另一组与洞壁斜交。爆裂面以新鲜破裂为主， 新鲜面上爆裂纹定向排列， 与隧洞切向应力大体平行。从洞壁弹射出来的岩块及靠近爆裂面残留下来的断块多为棱块状、透镜状、磷片状、片状， 少数为板状。

2.3.2破裂面的力学特征

由岩爆破坏断面统计， 爆裂面主要为两组， 一组与最大初始应力作用方向平行， 破裂角β=0～5°，另一组斜交， β=20～25°， 属脆性破坏范围。通过对两组断面及弹射岩块断口电镜扫描分析， 前一组破裂面为张性破裂面， 后一组斜交洞壁的破裂面属张剪破裂面。综上可见， 岩爆属于张、剪脆性破坏。

2.3.3岩爆的动力特征

岩爆抛射具有一定的初速度。弱岩爆岩块弹射的平均速度V0 一般小于2 m/s， 中等岩爆V0>2～5 m/s， 强烈岩爆V0=5～10 m/s， 严重岩爆V0>10 m/s。弹射物的分布范围远大于爆裂面的面积， 并具有一定的散射角。

2.3.4岩爆的岩体特征

（1）所有的岩爆均发生在坚硬性脆的灰岩、白云岩洞段，砂岩及泥页岩洞段未有岩爆发生。

（2）溶洞附近、溶蚀带、规模较大的断层带及混杂角砾岩带（角砾为泥岩砂岩及灰岩）无岩爆发生。

（3）岩石特别坚硬完整的洞段无岩爆发生。

（4）岩爆的岩块呈中间厚、边缘薄， 或中间与边缘厚度相差不大的饼状。爆裂面部分为新鲜断口， 部分为铁质浸染的微裂隙面。

（5）未见明显的岩爆岩块弹射现象，甚至某些岩爆没有脱离母岩;但伴有爆裂的声响，如鞭炮爆炸、劈柴、冰层开裂。因此，将岩爆分为松驰和松脱两种类型，前者未脱离母岩，后者脱离母岩。

3岩爆的预测

岩爆预测方法主要有2种， 目测法及监测法。

3.1目测方法

肉眼观看是预测岩爆的基本方法， 主要通过观察地下工程围岩岩石剥裂情况， 岩爆剥裂厚度一般为1cm左右， 并可见新鲜岩石断裂面。观察地下工程交叉处及应力集中处， 注意是否存在震动、响声及大量的岩体断裂破坏现象。

3.2监测方法

监测方法主要包括地质雷达、红外线观测、岩体声发射监测仪监测等。引进地质雷达、红外线及岩体声发射监测仪配合地质人员作地质预测预报工作。地下工程预报人员便可以根据围岩完整性、强度、地下水、断层等情况， 超前进行围岩岩爆预测， 最大限度地减少、避免工程事故发生。

这些实测方法还存在一些问题。首先是准确性不高，由于目前对岩爆的机理还尚未完全弄清楚，又因为不同的地下工程中所发生的岩爆种类、性质、成因、震级都不一样，因此使用这些实测法进行岩爆的预测，很难获得所有反映岩爆的原始数据，这就降低了预测岩爆的准确性。其次是预报的时间不长。由于所有的实测法没有考虑时间因素，如果预报时间不长，这对预报岩爆是没有实际意义的，只有尽可能提前预报，才能在短时间内采取有效的措施以避免岩爆的发生，这才是最重要的。

4岩爆的治理措施

4.1选择合适的开挖方法

在估计可能发生岩爆的区段，在原光面爆破的基础上，减少光爆层的周边眼孔距，使用小药卷和高段别毫秒雷管，同时降底同段起爆药量，尽量消除诱发岩爆的因素，并使开挖断面周边基本圆顺，避免新的局部应力集中。

4.2选择合理的支护方式

岩爆的成因主要取决于地质条件、地应力条件和施工触发因素。为减轻岩爆的危害，在预测的同时就是在洞室开挖前和开挖后对围岩采取支护措施，这样做不仅可以改善应力的大小且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，从而达到减轻岩爆险并且还能起到防护作用，确保安全施工。根据现场围岩的完整性、强度、是否存在断层等情况，及预测情况，在开挖后根据也发特征，针对性的采取了以下几种支护措施。

（1）锚杆+喷射混凝土支护：根据施工现场情况，采取锚杆+喷射混凝土支护，锚杆为Ф28 ，梅花型布置，间距1.5～2.0m，长度2.0～3.0m，还补喷10～15cm厚的素混凝土。实践证明，该方法对预防滞后型岩爆有很好的效果。

（2）锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护：岩爆发生后围岩会产生一个松动圈，厚度1～2m。为防止地质环境继续恶化，经过试验对此类岩爆后以采取锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护方案效果最佳。本支护方案可有效地使应力向围岩深部转移，是一种经济有效的支护措施。

（3）锚杆+喷射钢钎维混凝土：该支护措施一种新材料、新工艺的尝试，在混凝土中掺入3 %～5%的钢纤维，明显提高了混凝土的抗拉强度和韧度系数，从试件情况看，混凝土抗拉强度提高了约80% ，但因机具及造价原因未能全面应用。

4.3其他措施

爆破后立即向工作面、爆破面喷水，润湿围岩，即可以降尘又可以缓解围岩应力。

5结论

岩爆是矿山坑道、水电洞室、交通隧洞等地下工程的一大地质灾害， 岩爆实质上是因在高地应力岩体或矿体中进行掘进或开采，引起岩体或矿体中聚集的应变能突然释放，诱导了人工地震――岩爆的发生。岩爆的发生机理仍不十分清楚，这正是岩爆的预测和控制的研究还远不能满足安全开挖的主要原因，因此已成为是世界性的地下工程难题之一。要彻底避免岩爆是非常困难的，几乎不可能，但我们可以根据以往的经验，结合工程中遇到的岩爆相关的现象，结合实际的地质及现场因素，针对岩爆发生的条件，采取积极的措施。因此，用地震学方法预测预报岩爆发生与否是值得我国重视的，可作研究方向之一。

参考文献

[1] 张境剑，傅冰俊.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学报，2008，27（10）：2034一2042.

[2] 丁祖德，吴从师，邓寄生.后岗隧道岩爆成因分析与防治措施.中外公路，2008，28，（1）.

[3] 徐林生，王兰生，李天斌. 国内外岩爆研究现状综述[J ] .长江科学院院报，1999 ，16 （4） ：24227.

[4] 王贤能，黄润秋. 岩石卸荷破坏特征与岩爆效应[J ] . 山地研究，1998 ，16 （4） ：73278.