岩爆判据与监测预测技术研究进展

黄 宁,卢海珠,彭 庚,汪晓霖,尹里刚,张晓悟

(1.中钢集团武汉安全环保研究院有限公司,湖北 武汉 430080)(2.湖北兴发化工集团有限公司,湖北 宜昌 443000)(3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221100)(4.深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿,广东 韶关 512000)

0 引 言

岩爆,本质上是地下岩体在内部构造应力和外部采动应力共同作用下,由静态平衡向动态失稳转变,并伴有突发岩石飞溅、能量突变等现象的过程[1-2]。自21世纪以来,我国工业发展规模实现跨越式增长,随之引发的矿产资源、隧道工程等行业逐渐由近地向深地扩张,进而导致岩爆灾害在现场施工过程中屡见不鲜。

迄今为止,岩爆的发生机理在工程学术界尚无统一定论。Kidybiński等[3]早在1981年提出了岩爆倾向性理论,该理论认为岩体本身就拥有储存能量和抵抗破坏的能力,当岩石介质所受压力和所储应变能超越阈值时,即发生岩爆。Cook等[4]最早于1965年提出了能量破坏理论,该理论的主要支撑点为当巷道围岩的能量释放速率大于能量储存速率,将会发生岩爆。Obert 等[5]基于材料强度准则提出了岩爆强度理论,其认为岩体所受的极限强度超过最大抗压强度,岩体内部将会发生破坏。Hoek E等[6]于1966年基于刚度理论和突变理论提出分形失稳理论,该理论考虑的是整个系统的稳定性,从刚度超限和突变失稳两个角度研究岩体失稳的破坏形式。

在具体工程实例中,根据岩爆发生机理可将岩爆现象分为3类[7]:应变型岩爆、岩柱型岩爆和断裂型岩爆,其中断裂型岩爆后果最严重,岩柱型岩爆次之。应变型岩爆[8]多见于地质体内部最大主应力和最小主应力比悬殊的岩体中,多发生于褶皱或临近断层地带,在研究过程中应优先关注地质条件、埋深和岩体介质参数。岩柱型岩爆[9]常见于多条巷道或多个采场交汇处的岩柱,与实际工程背景和掘进开采工艺息息相关。断裂型岩爆[10]从严格意义上讲属于应变型岩爆加剧的一种模式,在应变型岩爆中未考虑岩体内部的节理裂隙,但在实际岩体中,节理裂隙对岩爆的发生具有加剧的作用。

尽管岩体岩爆机理和表现形式不一,但在其破坏时均表现出应力的转移和能量的传递[11]。因此,采取不同的监测预测技术对岩爆发生前兆进行超前监测与预警是降低损伤的最直接、最有效的方法。如何准确获取岩爆前兆的物理信号并判断岩爆发生的倾向是监测技术发展的重要方向。本文从岩爆的动态时空关系出发,揭示了理论指标和现场监测两方面的各类岩爆监测、预测技术的工作原理及应用现状,分析了其优缺点及适用条件,并分析了各监测技术方案之间的关联性。

1 理论指标判据法

为研究岩爆发生倾向性,诸多学者通过理论分析,提出各类理论判定标准,根据查阅文献和笔者认知,可将岩爆理论判据分为单指标判据和综合指标判据。

1.1 单指标判据法

1.1.1 岩石固有性质判据

表1 岩爆能量预测判据指标

表2 岩爆脆性预测判据指标

岩石储能和脆性均是岩石自身属性,当这两种属性达到强烈岩爆标准时,具体何时发生岩爆、发生多大范围的岩爆还与岩石的赋存条件、开发方式和支护方式有关,需要进一步研究探讨。

1.1.2 应力条件判据

为了综合分析岩爆应力判据的发展历程和理论基础,此处以时间线为主轴详细罗列出应力判据的判别条件和来源,如表3所示。从以往的经验公式可以看出:判别条件均为能量与应力之比或者应力与能量之比,但有些判据条件相同,岩爆倾向和等级却不尽相同。由此分析其主要原因是目前国内外岩爆机理尚不明确,应力判据均为经验判据,根据各个工程的具体情况差异有所不同。据表3指标,本文把临界深度归类于应力判据的范畴,是由于埋深、采深是造成地应力变化的主要原因。

表3 岩爆应力预测判据指标

1.1.3 围岩地质条件判据(RQD指标)

岩体围岩是岩体外部应力的主要来源,对岩体岩爆发生倾向及等级至关重要。一般而言,围岩完整性越好,能储存的应变能越大,越不易发生应力集中和能量积聚现象,越不容易发生岩爆。根据围岩等级分类,国内外多采用RQD指标对岩爆进行分级判别:(1)RQD<0.25,无岩爆;(2)0.25≤RQD<0.5,弱岩爆;(3)0.5≤RQD<0.7,中岩爆;(4)0.7≤RQD,强岩爆。

1.2 综合指标判据法

1.2.1 范正绮判据指标

范正绮等[28]通过大量的现场工业性试验监测发现一套适用于硬岩岩体的岩爆判据指标,其认为只有当岩爆倾向和围岩应力同时满足相应指标才能发生岩爆,判据如公式(1)～(3)所示。

σθ≥kσc

(1)

Wet≥5

(2)

k=f(σ1,σθ)

(3)

式中:k为比例系数。当σ1/σθ为0.25时,k取0.3;当σ1/σθ为0.5时,k取0.4;当σ1/σθ为0.75时,k取0.5。

1.2.2 秦岭隧道指标

谷明成等[29]学者通过在秦岭隧道展开现场岩爆监测预测研究,针对此处的岩爆发生可能性提出理论判据,如式(4)～(7)所示。

σc≥1.5σt

(4)

Wet≥2.0

(5)

σθ≥0.3σc

(6)

kv≥0.55

(7)

其中,kv为岩石完整性系数,Wet为弹性能量指数。

1.2.3 张镜剑判据指标

张镜剑等[30]在实际研究中发现陶振宇提出的σθ/σ1≤14.5的岩爆发生判据的阈值较低,而谷明成提出的σθ≥0.3σc较高,为了充分准确的判断预测指标在各类岩体岩爆中的普适性,张镜剑在两位学者的基础上将秦岭隧道指标略作调整,提出了较为一种较为综合的判据指标,如式(8)所示。

σθ≥0.15σc

(8)

1.2.4 RVI判据指标

邱士利等[31]通过对锦屏水电站的地下硐室群的62例岩爆事故进行反向推演,提出了需要达到岩爆所需的岩石力学条件,进而提出了岩爆倾向性指标(RVI),并基于此指标确立了爆坑深度计算公式,依此来确定岩爆风险等级。

RVI岩爆判据指标由4个控制因子构成,结合了岩爆强度理论、刚度理论和能量理论中所提出的岩体刚度因子FM、应力因子FS、岩体构造因子FG和岩石因子FR,公式中分别体现不同岩爆因子对岩爆倾向性的贡献。RVI 判据指标和了爆坑深度计算公式如式(9)～(10)所示。

RVI=FMFSFGFR

(9)

Df=Rf(0.008RVI+0.2307)

(10)

式中:Df-爆坑深度;Rf-水力半径。

1.2.5 岩爆势(Prb)判据指标

尚彦军等[32]在建立应变型岩爆模型的基础上,采用现场调研、数理统计以及数值模型等多种研究手段,提出了最大切应力σθ、岩石抗拉强度σt和岩体完整性kv作为岩爆的3个独立参数指标,并根据历史经验数据拟合出了岩爆势表达式(Prb),如式(11)所示,以此表征岩爆的发展趋势和风险等级。

Prb=(σθ/σt)Kv

(11)

当Prb<1.7,无岩爆;1.7≤Prb<3.3,弱岩爆;3.3≤Prb<9.7,中岩爆;9.7≤Prb,强岩爆。

2 现场监测判据法

2.1 超前宏观监测法

超前宏观监测法最初是通过经验丰富的现场作业人员采用“听”和“看”的方式对超前工作面进行现场巡查,结合岩爆发生的物理特征,进行初步预判。而后随着时间发展,施工单位通过对现有类似工程或类似地质条件的岩爆事故进行统计分析,监测与岩爆相关的特殊地质现象(如岩体内部岩芯饼化程度,应力-应变曲线异常等),最后对岩爆发生的倾向性进行预测[33]。如日本Kan-Etsu公路隧道施工过程中揭露的岩芯饼化程度与岩爆区相吻合,进而佐证了超前宏观监测法的有效性。但该方法受到同等地质条件且相同的工程案例数据库,且在预测方面受人为经验影响较大,其准确性和稳定性往往不能与实际相匹配。

2.2 钻屑量法

钻屑量法是根据岩体小孔径钻孔施工过程中每米进尺时的排粉量变化规律和造孔期间的动力现象,揭示岩体应力集中状态并据此预报岩爆。通常,具有岩爆危险部位的钻孔排粉量剧增至正常值10倍以上,当排粉量为正常值2倍以上时则认为存在岩爆危险。

该方法20世纪60年代在欧洲开始使用,且普遍应用于矿山领域。陈海栋等[34]将钻屑量法用于煤矿领域,通过对比单位长度内钻屑量判断岩石松动圈和塑性圈所处范围,如图1所示。该方法在电磁设备和物探设备应用于矿山领域后,逐渐被声发射、微震等监测手段替代。

图1 钻屑量-钻井深度

2.3 微重力法

微重力法的力量基础是脆性岩石的“扩容”,岩体在外部荷载和采动二次地应力条件下发生损伤破坏,内部由于裂隙的产生,体积会进一步增大。此时岩石的微重力异常变化呈现由正到负的趋势,临近岩爆发生时的岩石负重力异常达到极值,故借助微重力变化量可以判断岩爆发生与否。当重力异常长期为正异常水平,表明岩爆发生可能性小[35]。

Bieniawski等[36]在实验室力学试验的基础上,建立了微重力“扩容”模型,将岩样在外部荷载条件的5个应力-应变体征与5个扩容阶段相对应,解释了岩体在破坏前微重力异常与岩爆发生倾向的相互作用关系。此方法受外部温度、湿度和岩体赋存条件等环境因素影响较大,在实际工程应用中局限性大。

2.4 岩体电磁辐射监测法

早在20世纪40年代初,国外知名学者Urusovskaja在研究KCL断裂行为的过程中,发现固体介质在衍生断裂裂隙时会产生电磁辐射现象。Maniak等[37]通过监测花岗岩在外部动态荷载加载条件下的电磁辐射特征,发现电磁辐射强度与脉冲数分布规律与岩体破坏特征同步,随着岩体的弹性压缩阶段、峰值强度阶段、软化阶段表现出由弱至强再至弱的演化过程。

国内周春华等[38]学者将岩体电磁辐射监测方法广泛应用于长深隧道、水蓄能电站领域的工程实践中,通过“区域静态”的电子辐射监测方法揭示了电子辐射强度和脉冲数在硬岩巷道中表现出上、下部低,巷帮中部高的普遍特性,如图2、3所示,并且进一步表明电磁辐射强度在断层、褶皱等不同地质构造下空间分区特征显著,即电磁辐射在相对完整的岩层中辐射强度高且变化幅度大,在特征发生突变时,将有可能发生岩爆。

图2 电磁强度时空分布图

图3 脉冲数时空分布图

2.5 红外热线法

红外辐射是物体介质在热交换过程中产生的一种物理现象,是一种热力学性征。岩体在产生应变的过程中会有显著的温度升高现象,当散发出的红外温度异常时,表明岩体发生破坏。在地下工程开挖过程中,围岩表面温度的快速上升是岩石发生岩爆的一种前兆特征。但采用红外热成像技术对巷道、采场的围岩进行岩爆监测的可操作性尚有待深入研究。目前该项技术尚在室内模拟试验研究阶段,现场应用还不成熟。

2.6 声发射监测法

岩体由于外部荷载的作用,产生裂缝扩展、塑性变形或者相变而释放“应力波”的过程被称为声发射[39]。声发射监测(acoustic emission,简称AE)又称地音法,是通过接收并分析岩体内部传出的“声”信号事件数和能率,判定岩体内部结构的演化规律。

罗丹旎等[40]设计了单裂隙花岗岩真三轴单面临空试验,采用高速摄像系统和声发射系统联合监测不同产状岩石的声发射演化特性,揭示了裂隙产状与岩爆弹射动能的关系,研究成果为裂隙岩石的岩爆灾变机制和声发射监测的有效性提供了科学依据。王亚磊等[41]认为对岩爆等级进行精准分级是岩爆灾害预警的重要基础,其采用声发射监测不同方向条件下岩样单轴压缩试验的声发射特征,岩石应力-应变与声发射事件数、能率之间的关系如图4所示,并基于此特征提出了基于试件主破裂前的累积声发射能量Eq与最终破裂后的累积声发射能量E之比的岩爆等级预判方法。

图4 应力-应变与声发射事件数、能率关系

岩爆的灾变过程是一个能量累积的过程,能量的累积过程是一个声发射平静期,在此期间声发射信号的暂时平静是岩爆灾害发生的前兆。且岩爆前平静期的声发射是一个高频率、低能量的传播事件(能量发出频率高、下降速度快、传播距离有限),与地震、微震的频率对比如图5所示。因此,声发射仅适用于对局部小范围的岩体工程。

图5 地震、微震与声发射频率的关系[42]

2.7 微震监测法

微震监测技术是现行的一种高科技、信息化的地下工程岩体监测技术。微震是指目标岩体在外力作用下,材料内部的一个或多个局域源以顺位弹性波的形式快速向外释放能量的过程,目标能量传递起源于材料的裂纹、岩体的破坏。岩体的破坏是一系列岩石损伤的演化过程,通过分析蕴含在岩体内部的微震数据,能够得到岩体在破坏演化过程中应力和能量的传递信息,可以从侧面推演出岩体的稳定性和破坏机理。

李庶林[42]于2003年建立起全国第一套全数字型64通道微震监测系统,并应用于凡口铅锌矿的地压监测,实现了对该矿深部采区的地压控制。唐礼忠等[43]引进南非ISSI公司的ISS微震监测系统以建立冬瓜山深井开采微震监测系统,系统监测出的岩体活动特征如图6所示,该系统的设计与矿山采矿方法设计同步进行,不仅实现了对该矿开采过程的岩体动态响应的连续监测,更进一步证明了微震监测在矿山地压控制领域的可靠性,为我国深井岩爆的安全管控提供了方向。

图6 微震活动特征

和声发射技术相比,微震监测技术利用的是一种低频率、高能量的震动,具备监测范围广、地域深的特点。经过几十年科技的发展,微震监测技术已经具备成套的岩爆监测预测系统,在我国物探及监测领域得到广泛应用,但监测过程中易受“虚假信号”的干扰,对信号的译码需要进一步研究。

3 其他监测、预测方法

3.1 数值指标监测、预测

除了应用广泛的理论判据和现场监测方法外,国内外诸多学者通过对大量的岩爆灾害进行调研分析,并结合能量理论提出了能量释放率(ERR)[44]、超前应力(ESS)[45]、岩爆倾向指数(BPI)[46]、局部能量释放密度(LERD)[47]、相对能量释放指数(RERI)[48]等数值监测指标。

从上述数值指标可以看出,岩爆数值指标的发展逐步由静力学向动力学发展,从单一的矿山岩爆指标向全方位、全赋能综合指标发展,从无法表征岩体破坏的弹性模型(ERR、BPI、LERD)向可以表征岩体发生岩爆的弹(脆)性模型(RERI)迈进。

3.2 应用数学监测、预测

应用数学法监测、预测主要依赖于岩爆工程案例和岩爆理论预测指标。依托于岩爆工程案例的监测、预测法[49-51]主要包括:BP神经网络综合训练法、支持向量机法、Fisher判别分析法、Bayes判别分析法和高斯过程法。在理论预测指标的基础上进行综合预测的方法包括模糊数学法、灰色理论综合分析法、物元可拓综合判别法、逼近理想解法等多种计算方法。

预测方法中的前者主要将试样岩石各项力学参数通过岩爆指标判据公式进行多次训练,将其与待评估的试验岩石形成非线性曲线进行对比,进而判别岩爆风险等级;后者主要通过现有理论判据指标进行判别。

4 结 论

由于我国深地采矿的必然性和岩爆灾害的复杂性,“岩爆”控制已成为岩石力学领域学者面临的首要难题。为帮助诸多学者对岩爆发生的机理和监测、预测手段的清晰认识,本文对国内外暂行的岩爆形成机理进行了梳理,对现有的监测、预测方法进行了分析总结,得出以下结论:

(1)岩爆理论、机理明确化:理论是一切监测及防治手段的基础,当前盛行的能量理论、刚度理论、强度理论、倾向性理论等学说均仅适用于某些特定地质条件或者某种实验状态,不具备普适性。因此,为确保监测手段和防治方法的有效、准确,对岩爆发生机理和理论支撑应做进一步研究明确。

(2)岩爆监测方法智能化:现有的监测手段中声发射和微震监测能够较为准确的对岩体活动行为及特征进行评判,但均易受外部“假信号”的干扰。系统如何实现智能自动识别、屏蔽甚至剥离虚假信号是声发射和微震监测系统的一大难题。

(3)岩爆预测指标综合化:岩爆活动传递的信号包括应力、应变、能量等等,单一指标判据预测很难实现对岩爆风险等级的准确评估。随着科学技术的发展,采用BP神经网络、灰色理论等现代化计算模型建立综合指标预测体系能够准确地对岩爆发生倾向进行预测。

(4)监测、预测手段即时化、集成化:从目前国内外的岩爆研究现状可以看出,仅仅采用传统的、单一的监测技术和预测判据难以满足工程需要。为达到稳定、准确、可靠地监测岩爆活动的目的,将理论指标判据法和现场监测判据法进行综合应用是必然的,采用即时的、先进的数值和应用数学监测预测方法进行辅助验证是岩爆风险评估的未来发展趋势。