岩爆研究进展及未来趋势

岩爆研究进展及未来趋势 （武汉理工大学，湖北 武汉 430000） 摘 要：从岩爆形成机理、岩爆判据、岩爆预测和岩爆防治措施4方面阐述了国内外岩爆研究的现状及进展，指出了目前岩爆研究存在的几个问题以及发展趋势。 关键词：岩爆机理；岩爆判据；岩爆预测；岩爆防治 中图分类号：O 38；TU 45 文献标识码：B 文章编号：1671-4431 (2014) xx-xxxx-xx

The Research Progress and Future Trend of Rockburst

(Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China) Abstract：The article elaborates the domestic and foreign present situation and progress of rockburst from the four aspects including mechanism，criteria，prediction and prevention and controlled measures of rockburst，pointing out several problems of the rockburst research and development trend. Key words：rockburst mechanism；rockburst criteria；rockburst prediction；rockburst control 1 引言

岩爆是高地应力条件下地下岩体工程开挖过程中，由于开挖卸荷引起围岩内应力场重新分布，导致储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力失稳地质灾害，它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。 2 岩爆机理研究

2.1 强度理论 早期的强度理论着眼于岩体的破坏原因。认为地下井巷和采场周围产生应力集中，当应力集中的程度达到矿岩强度极限时，岩层发生突然破坏，发生岩爆。近代强度理论认为：导致岩体承受的应力σ与其强度σ'的比值，即σ/σ'≥1时，导致岩爆发生。 2.2 能量理论 20世纪60年代中期，库克等人在总结南非金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理论。他们指出：随着采掘范围的不断扩大，岩爆是由于岩体-围岩系统在其力学平衡状态破坏时， 系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。 2.3 刚度理论 20世纪60年代中期，Cook和Hodgei发现，用普通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而不猛烈，并且有可能得到应力-应变全过程曲线。他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚度大于试验机(即加载系统)的刚度。20世纪70年代Black将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题。认为矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现了柔性加载条件。在他的研究中也引入了刚度条件，并且明确认为矿山结构的刚度是峰值后载荷-变形曲线下降段的刚度。 2.4 岩爆倾向理论 岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条件。用一个或一组与岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论。 2.5 失稳理论 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。岩石在已具备大量弹性应变能及峰值强度以后处于非稳定的平衡状态，在干扰性因素如洞室的开挖、地震、围岩振动等因素的影响下，岩石会失稳。因此，可将稳定性理论应用于岩爆判据分析，干扰性因素是岩爆形成的触发因素。 2.6 断裂损伤理论 近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大的影响，运用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。损伤理论是通过建立岩石材料的损伤本构模型，把岩石的破坏过程看成岩石的损伤积累过程。损伤积累到一定程度，就出现了宏观裂纹，如此时损伤继续积累，就可能产生应变软化现象从而导致岩石储存应变能的能力降低，出现弹性应变能的释放，如多余能量向外部传递，就会引起岩爆。 2.7 分形理论 尽管岩爆所经历的物理过程相当复杂，但数学上，它仅是一个分形集聚几何过程。远在岩爆发生之前，微地震事件几乎均匀地分布在高应力区，对应着高的分形维数值，接近岩爆发生时，微地震事件集聚式地发生，对应较低的分形维数。这就是岩爆的分形几何机理。 2.8 突变理论 所谓突变是指从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态，或者说在系统演化中， 某些变量的逐渐变化导致系统状态的突然变化。突变理论的一个显著优点是，即使在不知道系统有哪些微分方程，更不用说如何解这些微分方程的条件下，仅在少数几个假设的基础上， 用少数几个控制变量便可预测系统的诸多定性或定量性态。 3 岩爆判据

为了判断洞室或隧洞(隧道)在何种情况下发生岩爆以及若可能发生岩爆时其严重程度如何，国内外学者提出了许多岩爆判据和岩爆分级。 3.1 E. Hoek 方法

式中：maxσ为隧洞断面最大切向应力，cR为岩石单轴抗压强度。 3.2 Turchaninov 方法(T方法) Turchaninov 根据科拉岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应力

maxθσ和轴向应力Lσ之和与岩石单轴抗压强度cR之比确定：

3.3 Kidybinski 方法：弹性能量(应变能)指数Wet判据(主要根据煤的试验) Wet为弹性应变能与耗损应变能之比，即Wet=Φsp/Φst式中：Φsp，Φst分别为试块的弹性应变能和耗损应变能，均由试块加、卸载应力–应变曲线中的面积求出。Wet判据如下：

0.34（少量片帮，Ⅰ级） 0.42（严重片帮，II级）

>0.7（严重岩爆，IV级）

Wet≥5(强烈岩爆)

Wet＝2.0～2.9(中等岩爆)

（σθmax＋σL）/Rc≤0.3(无岩爆)

0.3＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.5(可能有岩爆)

0.5＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.8(肯定有岩爆)

（σθmax＋σL）/Rc＞0.8(有严重岩爆)

σmax/Rc=

0.56（需重型支护，III级） 3.4 Russense 判据 Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc ，并根据岩爆烈度关系图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：

3.5 岩体RQD值判据 中国学者把岩体的RQD(岩体质量指标)值大于60%作为岩爆发生时的判据。有资料表明，σ1/Rc值大部分介于0.2～0.5之间，其出现频率与总事件数为66%，岩爆发生时其比值一般大于0.2，其出现频率与总事件数82%。

3.6 秦岭隧道判据方法 谷明成通过对秦岭隧道的研究提出以下判据：

式中：Rt为岩石的单轴抗拉强度，σθ为隧道洞壁最大切向应力，Kv为岩体完整性系数。只要同时满足上式就会发生岩爆。考虑发生岩爆的条件比较完善。 3.7 陶振宇判据及其岩爆分级 陶振宇在前人(Russens，Turchaninov等)研究基础上，结合国内工程经验，提出当Rc/σ1

＞14.5，则不会发生岩爆；当Rc/σ1≤14.5，则会发生岩爆，并将岩爆分为4级，如表1所示，

(σ1为最大主应力)。

表1 陶振宇提出的岩爆分级表 岩爆分级 Rc/σ1 说明 I ＞14.5 无岩爆发生，也无声发射现象 II 14.5～5.5 低岩爆活动，有轻微声发射现象 III 5.5 ～2.5 中等岩爆活动，有较强声发射现象 IV ＜2.5 高岩爆活动，有很强的爆裂声

3.8 对岩爆判据和岩爆分级的商榷 国内外众多岩爆研究成果和大量岩爆实际资料和试验数据表明：发生岩爆，除了岩体应力(地应力或初始应力)必须大于岩石单轴抗压强度的某一百分数之外，岩石还应该是脆性的、坚硬和完整的或比较完整的，同时岩石的弹性应变能需要比岩石破坏耗损应变能大很多。反之，不会发生岩爆。 分析以上有代表性的判据可看出：谷明成提出的岩爆判据满足上述发生岩爆需要具备的诸项条件。但是，其σθ≥ 0.3Rc 是根据秦岭隧道围岩片麻岩强度高的具体情况所得到的，其发生岩爆的条件偏高。陶振宇提出的Rc/σ1≤14.5 就发生岩爆，是很例外少有的情况，是偏

Wet＜2.0(无岩爆) σθ/Rc＜0.20(无岩爆)

0.20 ≤σθ/Rc＜0.30(弱岩爆)

0.30 ≤σθ/Rc＜0.55(中岩爆)

σθ/Rc≥0.55(强岩爆)

Rc≥15Rt Wet≥2.0

σθ≥0.3Rc

Kv≥0.55 低的，已被我国工程实例证实。但是，大多数判据都是以洞室围岩的环向应力和径向应力来表达的，在使用有限元软件进行分析时需要进行坐标变换，因此十分不便。陶振宇提出了基于最大主应力的判据，是其优点。根据国内外大量岩爆统计资料表明：最大主应力σ1＞(0.15～0.20)Rc，则极易发生岩爆。为克服上述两判据判别发生岩爆的条件偏高和偏低，把两判据结合起来，去掉两者不足之处，形成修改后的谷–陶岩爆判据和岩爆分级如下。修改后的谷–陶岩爆判据为

修改后建议的岩爆分级如表 2 所示。 表2 修改后建议的岩爆分级表 岩爆分级 判别式 说明 I σ1＜0.15Rc 无岩爆发生，无声发射现象 II σ1＝（0.15~0.2）Rc 低岩爆活动，有轻微声发射现象 III σ1＝（0.20~0.40）Rc 中等岩爆活动，有较强声发射现象 IV σ1＞0.40Rc 高岩爆活动，有很强的爆裂声

4 岩爆的现场预测方法 岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆发生的时间、地点、烈度等信息。应用于工程实践的现场预测预报方法有很多种，目前常用的有以下几种： 4.1 微震(A-E)法 即Acoustic-Emission方法，又称为亚声频探测法或声发射法。该法能探测到岩石变形时发生的亚声频噪音(即微震)，地音探测器(拾音器)能将那些人耳听不到的声波转化为电信号，根据地音探测器检测到的微细破裂，确定异常高应力区的位置，再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比较，从而确定该应力的传播方向，当岩石临近破坏之际，A-E(微震)噪音读数迅速增加，如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有岩爆来临。此法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验观测结果，它是对岩爆孕育过程最直接的监测方法，也是最直接的预报方法。此方法的基本参数是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄就意味着有1个暂时的声发射平静期，因此，A-E活动的暂时平静，是岩爆发生的前兆。由于此方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位预报，因此，是1种具有很大发展前景的直接预报方法。美国、波兰、俄罗斯、南非等国家的一些矿山都采用了声发射法用于预测岩爆；我国的门头沟煤矿也使用了从波兰进口的SAK地音监测系统和SYLOK微震定位技术对工作面危险状态进行预测预报。 4.2 微重力法 岩石力学研究表明，脆性岩石在应力作用下，其力学参数会出现显著的变化，一旦岩石受到的应变超过其临界限时，岩石体积便会出现陡然增大，这一现象被称为“扩容”现象。一般情况下，在发生震动和岩爆前，岩体的体积将会变化，从而使岩体密度改变，根据岩体的变形，重力强度的变化，以及密度分布的变化可以预测具有岩爆倾向的地带。微重力法能及早预测岩爆，且预测范围较广，但其成本较高，测量位置不精确。 4.3 煤(岩)体电磁辐射监测预报法 这一方法是依据完整煤(岩)压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲”信号，通过数据处理和分析研究，来预报煤(岩)爆。