岩爆形成机理的基本分析

郭锐 李伟 周志广

1 概述

岩爆是高地应力条件下，隧道等地下工程洞室开挖过程中，因开挖卸荷引起洞室周边围岩产生强烈的应力分异作用，储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放且产生爆裂脱落、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种常见动力失稳施工地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度。

随着人类活动向地下空间的延伸，在高地应力区修建的水电站地下厂房、隧洞等地下工程越来越多，其埋深也越来越大，随之而来的岩爆现象也越来越突出，据不完全统计，从1949年～1985年，在我国32个重要煤矿中，至少曾经发生1842起煤爆和岩爆，在一些严重的岩爆发生区，曾有数以吨计的岩块、岩片和岩板抛出。在水电工程中岩爆也频繁发生，如二滩、映秀湾、渔子溪、太平驿、锦屏、天生桥二级等水电站的地下工程在修建过程中都发生过不同程度的岩爆。根据文献检索，目前世界上大约有18个国家和地区已有大型岩爆发生，所以岩爆已经成为全球性的地质灾害。

正因为如此，在地下工程中，岩爆一直受到人们的关注。然而，自1738年在英国发生人类有文字记载以来的第一次岩爆距今已经200多年了，可岩爆的理论研究是从20世纪20年代～30年代才开展起来的，虽然历经几代学者的努力，岩爆的理论研究有了一定程度的发展，但由于岩体自身的复杂性，很难用数学方法来准确推断和预测岩爆的发生，所以人们对岩爆的理论研究仍然处于探索阶段，还有待进一步深入。到目前，国内外学者们就岩爆发生的一个或几个条件，提出了侧重于某一方面的岩爆理论，这些理论有:能量理论、刚度理论、强度理论、分形维数理论、微重力理论、综合理论、失稳理论等。

基于岩爆在地下工程中的严重性和危险性，本文简单地介绍了这些理论，并且加以分析和探讨，以便于为地下工程实践中的岩爆预测、预防提供一个理论依据。

2 岩爆理论的综述

2.1 能量理论

人们普遍认识到岩体中应变能的集中在岩爆的发生中起着举足轻重的作用。但是，直到1965年，才由库仑等人经过一系列的岩爆试验研究，提出了基于试验结果的能量理论。由于这个理论没有考虑岩爆的时间因素和空间因素，所以并不完善，后来又经过一些学者的修正，提出了如下岩爆的能量判据:

其中，EN为能量指标，等于岩体中所集中的弹性应变能ENe与发生塑性变形所消耗的能量ENp之比，依据这个指标，对岩爆的发生可作如下判断:

1)当 EN ＜2.0时，不易发生岩爆;2)当2.0＜EN ＜5.0时，中等可能发生岩爆;3)当EN＞5.0时，最有可能发生岩爆。

2.2 强度理论

霍克认为一种被称为岩石强度指数的指标可以作为地下开挖面的失稳判据。这个指标就是RSi，它是最大主应力值与单轴压缩强度比值的3倍，即RSi=3σ1/Sc。依据这个指标有如下判据:当 RSi＜0.2 时，发生岩爆可能性低;当 RSi=0.2～0.4 时，发生岩爆可能性中等;当RSi=0.4～0.6时，发生岩爆可能性高;当RSi=0.6～0.8 时，发生岩爆可能性很高;当 RSi=0.8～1.0 时，发生岩爆可能性极高;当RSi＞1.0时，发生岩爆。

由此可以看出，能量理论以岩石的单轴抗压强度为度量标准，从围岩的静力平衡条件出发，将各种强度准则作为岩爆的判据，这种理论没有明确的机理作为依据，只是根据单轴试验现象得出依据，不能准确解释岩块(片)的弹射机理。然而岩爆的发生不仅取决于围岩的强度，事实上，地下围岩是处于一个复杂的应力体系中，不可能只受单轴力，其破坏方式也是十分复杂的。许多地下工程的围岩达到破裂状态，并没有进入极限状态，虽然围岩中的微裂隙已进入不稳定状态，但围岩的整体此时是稳定的，只是这种局部范围的不稳定状态可能导致岩爆。因此，为了更好地对岩石岩爆发生的可能性作出判断，必须在此基础上综合考虑各方面的因素加以修正。

2.3 刚度理论

刚度理论的产生源于刚性压力机，此理论由布莱克将其发展和完善，他认为矿体的刚度大于围岩的刚度是产生冲击地压的必要条件。但是由于这种理论主要用于解释煤矿冲击地压和矿柱岩爆问题，所以使用并不广泛。我国阜新矿院认为岩爆取决于岩石加载过程的刚度与应力达到峰值以后卸载过程的刚度比值，并提出以刚度为参数的冲击性指标:

其中，Km为应力应变全过程曲线上加载过程的刚度;为应力应变全过程曲线上达到峰值后的刚度。

当FCF＜1时，就有岩爆发生的可能。

2.4 分形维数理论

自从分形几何理论发现以来，其在各个领域都得到了充分的应用与发展，那么，岩爆理论工作者也不例外，他们试图将分形理论应用于岩爆理论中以其揭示岩爆的发生机理，他们把岩石的破裂过程看成裂缝尖端微裂纹损伤发展的过程，由于微裂纹的分布特征是分数维，故可将微裂纹损伤演化过程理解成分数维的变化过程，通过AE法探测相应于损伤微地震源的分布进行分数维分析，当分数维随时间显著减少时，即可能发生岩爆。

分形几何理论在岩爆理论中的引用，势必打破岩爆理论研究的传统思维使岩爆理论的研究进入一个新的时代，同时，岩石破裂裂纹的分维数可能会成为判定岩爆发生的新参数。但是，由于分形理论本身的不完善性以及岩石裂纹的复杂性，我们很难去确定岩石裂纹的分维数。因此，要想分形理论在岩爆理论中得到更大发展仍需要各位学者们的努力。

2.5 其他理论

除了以上介绍的几种岩爆理论以外，还有许多理论如冲击倾向性理论、微重力理论、失稳理论以及综合理论等来表达岩爆的发生机理。冲击倾向性理论是根据实验室实测岩体的物理力学性质指标为依据，对岩爆的发生进行预测;综合理论是我国煤炭部门提出的，它认为只有同时满足强度理论、冲击倾向理论、能量理论才能产生冲击地压，才能发生岩爆;微重力理论实际上是用物探的方法对岩爆进行预测，其理论基础是脆性岩石的“扩容”现象，即岩石在应力的作用下，力学参数会发生明显的变化，当其应变超过其临界值时，岩石的体积会突然增大;失稳理论是将围岩看成一个力学系统，将岩爆当作围岩组成的力学系统的动力失稳过程，即岩爆的发生是围岩组成的变形系统由不稳定平衡状态变成新的稳定状态的过程。

3 结语

由前人的理论与试验研究可知，岩爆是在具有一定的弹性应变能存储条件的硬脆性岩体中开挖隧洞时，由于地应力分异，围岩应力跃升，使得岩体内原生裂隙发生张拉破坏发展为宏观裂纹，并且其作用应力随之急剧调整升高，积蓄能量进一步集中，使内部破坏加速扩展，成为宏观破坏(剪、张脆性破坏)，而使岩片分离母岩，并同时获得弹射引发力，使岩片向临空方向弹射，在母岩体内则产生震动。它经历了内部原生裂隙启裂并稳定扩展→(应力升高)非稳定扩展(新旧裂纹急剧扩展)→宏观破坏和弹射、震动的“时序渐进破坏过程”，也即是经历了稳定破坏→加速破坏→动力弹射、震动过程。由此可以看出，岩爆的发生受多种因素的制约，不仅受岩石的岩性、地应力、地下洞室的开挖方式、洞室的开挖形状等影响，同时还受岩爆发生的时间和空间因素影响。

由上述可知，目前已有的岩爆机理理论无非是从岩石的弹性应变能的积累上、强度上或裂缝的扩展上着手，总而言之，就是考虑了岩爆发生条件中的一种或几种，并没有综合考虑影响岩爆的各种因素。由中国煤炭部提出的一种考虑了强度理论、冲击倾向理论、能量理论的综合理论，这种理论看起来似乎综合了几个因素，其实严格来讲，它只不过把这三种理论简单的叠加起来了，并没考虑其内在联系。不过，这毕竟是一种尝试，与其他理论相比还有一定的进步意义。随着分形几何的发展，其作为一种新的理论已经应用于岩爆的机理研究中，不过目前来看，还不成熟，有待进一步的发展。

因为我们研究岩爆的发生机理的目的就是为岩爆的预测与预报提供理论依据，为了在岩爆发生之前，有足够的时间来对人员和设备进行疏散、撤离，我们必须考虑岩爆的时空效应，另外，岩爆的发生、发展也不是一蹴而就，是有一定过程的。当然，我们在进行理论研究的同时，还必须充分地发展岩爆的观测手段和试验手段。随着人类的发展，地上空间已经不足以人们利用，势必要向地下空间发展，那么岩爆现象也就越来越突出，我相信在不久的将来，岩爆的理论和试验研究将更加蓬勃发展。

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