有关岩爆问题的研究综述

陈 奎 李福壮

河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院（450000）

0 前言

21世纪以来，随着经济的持续发展，综合国力的不断提升，高新技术的不断应用，我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展[1]。虽然近些年我国在隧道与地下工程领域取得了诸多的成绩，但也有一些亟待解决的问题，岩爆就是其中之一。岩爆是地下工程建设过程中常见的一类动力破坏现象，是由于围岩中积聚的应变能大于岩石破坏所消耗的能量，多余的能量致使岩石碎片从巷道围岩中松脱、剥落、崩出[2]。低强度的岩爆表现为围岩剥离，有声响，有气浪，危险性较小。高强度的岩爆表现为围岩崩落、弹射，产生较大的粉尘和空气冲击波，常常还会使岩体和地表产生震动，和小地震相似[3]。下面对岩爆的定义、烈度分级、影响因素、破坏机理、理论与经验判据、现场预测与支护手段等进行系统的阐述。

1 岩爆的定义及类型

1.1 岩爆的定义

对于地下工程中出现的岩爆现象，行业背景不同，名称也不同，比如岩爆和冲击地压等。从物理及力学本质而言，岩爆和冲击地压在一定范围内可以认为是相同的[4]。虽然我国文献关于岩爆的机制、定义和分类众说纷纭，不尽一致，但是国际上研究岩爆的权威学者关于岩爆的定义、机制和分类是基本相同的。

岩爆是一个物理现象，所以其定义应是现象的描述，以下引述了若干定义和机制。

岩爆是突然的岩石破坏，其特征是岩石的破碎和从围岩中突出并伴随着能量的猛烈释放。

开挖一个新地下孔洞或者改变一个已有孔洞造成围岩中的应力变化，这些应力变化能导致孔洞附近岩体的破坏，或者诱发已有断裂的滑移；第1类岩爆定义为已有断裂的滑移，第2类岩爆定义为一定体积的岩石的脆性破坏。

为了发生断裂型岩爆，原生的或感生的应力水平必须足够高，以能激活原生的断层面的运动，或启动地质结构面的活动，或者在岩体中形成断裂(新断层)，岩爆是岩体动力破坏的后果。

矿井中动力现象(岩爆)的本质是围岩获得了动能。

采矿诱发的岩爆是与平衡状态的失稳相连的，包括已有断裂面的滑移、岩体的破裂。

1.2 岩爆的类型

确定岩爆的类型、发生特征和关键控制因素，对于明确岩爆的发生机理和应对措施非常重要。对于岩爆类型的划分方法，目前学术界尚未达成统一的认识。根据岩爆发生机理可分为应变型岩爆、构造型岩爆、应变和构造混合型岩爆，若根据岩体类别可分为均匀岩体岩爆和非均匀岩体岩爆。根据国内外研究积累和该工程岩爆灾害的主要特征，按其发生条件和机理可将岩爆划分为两大类型，即应变型岩爆和断裂型岩爆。

按岩爆发生部位及所释放的能量大小，将岩爆分为三大类型:①洞室围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆；②矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆；③断层错动引起的岩爆。从岩爆形成的内在因素出发，将岩爆类型划分为水平构造应力型、垂直压力型和综合型三大类。武警水电指挥部天生桥二级水电站岩爆课题组对岩爆有两种分类:①按破裂程度将岩爆分为破裂松弛型和爆脱型；②按规模将岩爆分为零星岩爆（长度0.5～10 m）、成片岩爆（长度10～20 m）和连续岩爆（长度大于20 m）三大类。根据岩爆岩体破坏方式，将岩爆划分为爆裂弹射型、片状剥落型和洞壁垮塌型三大类。

迄今为止，在国内的岩爆类型划分影响最大，首先根据岩爆岩体高地应力成因和最大主应力方向，将岩爆类型划分为水平应力型、垂直应力型和混合应力型三大类，然后依据具体应力条件和岩爆特点，再将岩爆划分为六个亚类。

2 岩爆的烈度分级

岩爆烈度是指岩爆破坏程度，岩爆破坏主要是指地下洞室、矿山坑道遭受岩爆时岩体或矿体本身产生的直接破坏，以及因此而诱发的工程区或矿区、地面建筑物等的间接破坏。对于岩爆烈度分级问题，目前国内外尚有不同的见解，主要依据与岩爆有关的单项或少数几项指标来划分。实际上，岩爆的烈度分级所要考虑的因素远不止一种，而现阶段的分级方式往往不能从多方面进行考虑，这也是造成烈度分级不能达成共识的原因。应用改进的物元可拓理论，选取影响岩爆烈度的主要因素，如洞室最大切向应力σθ、岩石单轴抗压强度σc、岩石单轴抗拉强度σt以及冲击倾向指数Wet，以σθ/σc、σc/σt及Wet作为岩爆烈度评价指标，建立岩爆烈度预测的改进物元可拓模型。建立的岩爆烈度预测的改进物元可拓预测模型更加科学合理，预测结果与工程实际吻合较好，预测精度更高。

3 岩爆的影响因素

岩爆是矿岩受到开挖扰动后发生猛烈破坏的一种自然现象，是矿岩本身力学性质和外界因素组合的结果。一般包括内因和外因。内因主要是高地应力、岩体结构及性能、地质构造等，外因主要是指有关生产的工艺和技术。其中高地应力条件是岩爆发生的能量源泉，岩体结构及性能、地质构造、水文地质条件等决定了发生岩爆的能量聚集和释放能力。采矿方法、采场巷道的形状和结构参数、采掘工作面推进方向速度、回采顺序以及支护形式等都影响到岩爆的发生。总体而言，岩爆是多种因素导致的结果，各影响因素之间既独立又相互联系，并且对岩爆的影响方式和影响程度也不同。

从深埋隧道中单组结构面对岩爆的影响，得出如下结论:在水平主应力最大的条件下，直墙半圆拱隧洞的拱顶位置附近以及边墙墙角的应力集中区为岩爆发生的高危位置。单组结构面的条件下，岩爆的发生基本集中于陡倾结构面的位置，结构面缓倾处一般不发生岩爆。结构面的产状会影响围岩的破坏模式，缓倾结构面容易诱发围岩的弯折破坏，陡倾结构面则更容易发生沿结构面方向的剪断或滑移。结构面间距的改变使得结构面与开挖边界之间的位置关系发生改变，从而影响到岩爆。开挖边界外侧的结构面距离边界越近，则其附近的应力越高，诱发岩爆的可能性也越大。岩石类别对岩爆发生的影响，70%的工程案例岩爆发生在Ⅰ、Ⅱ类围岩中，30%发生Ⅲ类围岩中。若按洞段长度，根据文献描述，仅有少量岩爆发生在Ⅲ类围岩中，考虑到围岩质量分级中因高地应力而降级处理和现场分级的偏差，岩爆主要发生在Ⅰ、Ⅱ类围岩中。结构面的剪切滑移对岩爆的影响。开挖方案、开挖速度、埋深情况是影响围岩稳定性的重要因素；相同长度的隧洞开挖过程中随着单循环开挖步长的增加，能量释放值不断增大，岩爆的发生频次具有增加的趋势。线弹性能判据、岩石脆性系数判据和陶振宇判据的结果表明，矿区深部常见岩石均具有一定程度的岩爆倾向性。

4 岩爆的预测和防治措施

4.1 岩爆的预测

国内外学者利用各种方法对岩爆进行预测预报，综合总结了一些对岩爆的预测方法。针对岩爆监测研究的不足，开展了完整硬岩岩爆单轴压缩试验及全过程超声波监测，分析了完整硬岩岩爆破坏特征及超声波前兆规律，探讨了完整硬岩岩爆的预测预报。以工程地质条件为基础，综合分析隧道工程区地应力场环境及邻近工程实测地应力成果，利用工程类比和三维数值反演方法获得隧道工程区初始应力场。选取隧道横断面作平面应变分析，计算获得开挖后隧道沿线围岩二次应力场。利用修改后的岩爆判据对隧道全段进行岩爆状态预测。基于决策树模型对岩爆烈度进行预测，基于证据理论对岩爆进行预测，运用工程岩体分级标准判据法、陶振宇判据法和Hoek判据法对隧道岩爆进行了预测研究。当岩体内部多次发出沉闷如雷很吓人的响声，即是大规模岩爆发生预兆，如多个地点发出，很可能在此范围产生连锁反应。岩体工程表面发出清脆响声是作业面处立即出现局部岩爆预兆，新作业面出现爆皮裂缝宜继续关注，老作业面长时间出现此种现象说明其应力平衡己结束。

4.2 岩爆的防治措施

岩爆发生有两个基本条件，①岩体处在高地应力场的作用之下；②岩体本身坚硬、完整而强度高，能集聚高的弹性能。控制岩爆的措施有多个，如开挖顺序、开挖方式、锚固、挂网和喷护等。

合理的开挖顺序可以通过控制和改变围岩中应力变化路径的方式来减轻甚至消除高应力破坏，目前这种工程措施在深埋矿山工程中应用非常广泛。选择开挖方式在围岩高应力破坏不是很突出的情况下显得尤为重要，这是因为高应力条件下围岩的变形和支护要求基本都是围绕着围岩屈服圈进行的，控制爆破、特别是TBM施工在控制围岩屈服松弛圈程度和深度方面具有明显的优势。在高应力脆性破坏趋势条件下的锚固、挂网、喷浆加固措施是深埋高应力条件下地下工程开挖时常常采用的措施。高应力条件下岩体越完整、坚硬，其储存应力的能力越强，一旦发生高应力破坏，产生很大影响和剧烈震动。因此不能用常规条件下的岩体质量来衡量加固的需要。在高应力条件下，紧跟掌子面的支护是非常必要的，只有这样才可能创造一个安全的施工环境。紧跟掌子面的加固主要采用两种方式:①挂网和锚固组成的快速临时支护系统；②喷层加锚固组成的快速支护系统。引水洞采用中空注浆锚杆，与通常使用的普通螺纹钢锚杆类似，属于刚性锚杆。锚杆的特点是强度高、刚性大、支护力强，缺点是承受变形能力和吸收能量的能力不足。在使用这类锚杆时应充分考虑到其不足之处，避免使用不当导致锚固体损坏。

由于岩爆的危害较大，所以在工程施工中，对岩爆的防治一定要及时，防止因为岩爆危害而发生较大的损失。

5 结语

目前，在对岩爆的研究中，忽视了对有岩爆倾向性开挖空间的有效防护理论与技术的研究，对岩爆防治措施的研究相对较少。在强调高应力诱发岩爆灾害的同时，忽视了高应力承载硬岩有可能带来的在采场矿岩破碎方面的优势，以及由此产生的诱导致裂技术可应用性的认识和研究。