岩爆的破坏机理与防治措施

李丹锋 张 清

二滩水电开发有限责任公司，四川成都 610051

岩爆的破坏机理与防治措施

李丹锋 张 清

二滩水电开发有限责任公司，四川成都 610051

岩爆事故能够导致支护系统被摧毁，引起大规模岩体坍塌，进而导致人员被困或者伤亡事故发生。本文分析了岩爆的特征和分类，研究了岩爆预防判断的准则和发生机理，并从改善围岩应力和性质、加固围岩以及管理方面提出岩爆的防治应对措施，能够为岩爆事故的预防与控制提供工作参考和技术指导。

岩爆；破坏机理；防治措施

一、岩爆的特征

岩爆，又称矿山冲击，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，使地应力重新分布，导致围岩应力跃升及能量进一步集中，而产生张－剪脆性破坏，在消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，造成岩片（块）脱离母体，向临空方向猛烈抛（弹、散）射的动力破坏现象。该现象经历“劈裂成板－剪断成块－块片弹射”渐进过程，并伴随声响和震动，是深埋洞室特有的一种不良地质现象。

从岩性来看，岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中，如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。这些岩层或为非层状的致密脆硬性岩层，或为产状近似于水平的脆硬性岩层，它们开挖前整体完好，不见张开节理，仅见少量的密闭构造节理。从地质构造上来看，在地应力集中地区（如地质构造线转折与相交部位）以及洞室轴线与压性构造线相平行时（即洞室轴线与地区最大主应力方向垂直或近于垂直时），往往可能使岩爆加剧。就洞室与导坑断面形式而言，方形、梯形的较拱形、圆形的洞室或导坑岩爆更为严重。

二、岩爆的分类

（1）按岩爆活动性分类法，如表1所示;

（2）按岩爆特征分类法，如表2所示。

三、岩爆的断裂破坏机理

岩爆发生的原因是具高蓄能特性的硬脆性岩体中，积蓄的应变能突然释放，导致的结果是岩体的断裂破坏。

岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现象。地下洞室岩爆常以片状剥落的形式出现，形成葱皮状结构。产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件。通常多为完整的整体块状结构及厚层状结构，岩石硬脆，单轴抗压强度在1500kg/cm2以上，声波速度大于6000m/s，且只有当岩体初始应力场的最大主应力与岩块的单轴抗压强度之比值大于0.15～0.2的高应力条件下才可能发生。洞室的轴向布置即与初始应力场的最大主应力的关系及洞室的断面形状亦是显著地影响着岩爆，洞轴与最大主应力垂直且洞室具非平滑轮廓时容易产生岩爆，因为这时洞壁围岩的应力集中最严重，洞壁的超欠挖亦恶化了围岩的应力集中程度，使岩爆更容易发生。

从宏观现象上来看岩爆的本质是弹性应变能的大量突然释放，但其发生机理是岩体的断裂破坏。岩体中存在数目众多的呈随机分布的微裂隙，为岩体的断裂破坏提供了必要的裂纹条件。

1、岩爆的判断

岩爆的预测和防治是一个众所周知的世界性难题，虽然取得了一定的成果，但要做到精确预测还存在困难，特别是因不可预见的地质变化都可能引发难于预测的情况。目前世界上对岩爆的预测没有一套相对成熟的方法，不能精确预报出岩爆的等级和岩爆发生的部位，仅能进行宏观预测为主，并结合掌子面的围岩情况作出判断，即：

（1）岩石越新鲜、完整和干燥，岩性越脆硬，岩爆发生的可能性越大。

（2）抗压强度越大，发生岩爆的可能性越大。

（3）在断层带附近的完整岩体部位易发生岩爆。

（4）复杂的地质构造带容易发生岩爆。如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等。特别是向斜的轴部岩层存在较大的地应力，聚积有大力的弹性能，一旦进行开挖就有可能发生岩爆。

（5）在钻孔过程中还可以获得诸如爆裂声、摩擦声和卡钻现象等具有辅助判断作用的动力响应信息。

（6）岩爆部位以洞室拱肩或腰部为多。

2、岩爆的断裂破坏机理

通过对岩爆的观察和分析，不难看出岩爆具有如下的特征。

（1）围岩应力与单轴抗压强度的比值，在较低的情况下就可能出现岩爆。

（2）岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，在爆裂面上，一般肉眼观察不到明显的裂隙。

（3）岩爆一般发生在洞室开挖后数小时或数天内，也有持续一至几个月后逐渐减弱或停止的。一般而言，比较剧烈的岩爆多发生在开挖后数小时内。

综上所述，发生岩爆的岩体虽然在宏观上是完整的，但在微观上其内部存在着许多随机分布的微裂隙，或用常规手段无法发现的非常小的不均匀粒子，当围岩受力后其中处于最不利方向的裂隙端部，将会产生极高的集中拉应力，这个应力足以克服分子引力造成的内聚力，使裂隙端部产生新的拉伸破裂。

一般情况下，岩体的宏观破裂并非是单个裂纹扩展形成的，而且单个裂纹的扩展方向与宏观方向也不一致。只有当微裂隙破裂和相邻裂隙相互连通起来，逐步形成裂隙带后，才有可能从微观破裂发展成为宏观破坏。而宏观破坏的形态，可能是剪切或张性破裂，这取决于岩石的结构和裂隙开展的方向等多种因素。由此可以得出，岩爆破坏的进程可以分为三个阶段：低应力状态下的微裂纹扩展→微裂隙相互贯通，形成宏观破坏→岩体中贮存的弹性应变能转化为动能，使破裂的岩块以不同的速度弹射出去，即为岩爆。

表1 岩爆分级表

表2 岩爆分类表

四、岩爆的防治措施

1、改善围岩应力

如果能使围岩应力小于围岩强度就不会发生岩爆。有以下几种方法：

（1）慎重确定地下洞室穿行方位。在设计阶段，尽可能回避处于活跃期的褶断带，不要使洞室的施工造成大的、老的构造复活或形成岩爆的诱发因素。

（2）在布置地下工程时，应尽量使长轴方向与最大主应力平行，这样可以减小洞壁围岩的切向应力。

（3）在开挖爆破时，采用光面爆破，必要时修正掌子面形态，同时采用短进尺控制爆破开挖，每次开挖进尺小于2m，以改善围岩应力状态。

（4）改变导坑段面形状。在开挖过程中，改变导坑断面形状，将通常采用的梯形面改为弧形拱顶。

（6）采用断顶法施工。这是门头沟煤矿长期摸索出来的一种治理冲击地压的方法，削弱空区顶板与待采区顶板岩层的力学联系，防止冲击地压。

（7）采用回填法施工。回填法在南非金矿中用得较多，可减少矿坑跨度、最终收敛量及每一次回采矿中的诱发位移，围岩可以释放能量。

（8）应力解除。在预计可能发生岩爆的洞段内，通过人工进行垂直于掌子面的超深钻孔施爆工作，造成掌子面内相当深度的地方成为一个破碎带，以减轻掌子面上的压力。

2、改变围岩性质

（1）表面喷水，爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，以降低岩体的强度，增强塑性，减弱岩体的脆性，降低岩爆的剧烈程度；同时可以起到降温除尘的作用。也可利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，以取得更佳效果。

（2）将深孔爆破改为浅孔爆破，减少一次装药量，拉大不同部位炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，减轻爆破对围岩的影响，减小爆破动应力场的叠加，降低岩爆频率和强度。

（3）改变洞室的开挖断面形状，把洞室直接或近似开挖成相应于岩爆后围岩稳定的洞室形状，如“A”字形、不规则的梯形等，从而减小岩爆的程度。

（4）在强烈岩爆区用台车打应力释放孔。

（5）在岩爆出现区域，可以考虑先采取导洞开挖，再进行扩挖的方式，以逐渐释放地应力的施工方法。

3、加固围岩的方法

（1）轻微岩爆可对岩壁进行喷混凝土，厚度一般为5～10cm，可采用CF30仿钢纤维混凝土等高质量喷射混凝土来防止洞壁表面岩体的剥离。

（2）中等岩爆可初喷8～10cm厚的CF30仿钢纤维混凝土等高质量喷射混凝土；同时采用3m长涨壳式预应力锚杆或水胀式锚杆，间距1m×1m，。视岩爆强度随机增设钢筋拱肋，及时进行系统锚杆和后续挂网喷射混凝土施工。

（3）强烈岩爆可初喷10cm厚的CF30仿钢纤维混凝土等高质量喷射混凝土；同时采用3～5m长涨壳式预应力锚杆或水胀式锚杆，间距0.8m×0.8m。系统布置钢筋拱肋，间距0.8m，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌作为永久衬砌。

（4）极强岩爆可初喷10cm厚的CF30仿钢纤维混凝土等高质量喷射混凝土；同时采用3～5m长涨壳式预应力锚杆或水胀式锚杆，间距0.5m×0.5m。系统布置格栅拱架，间距0.5m，后期采用全断面钢筋混凝土衬砌作为永久衬砌。

4、管理措施

（1）在可能发生和已经发生岩爆的洞段设置警示通告牌，在岩爆区域外的安全地带设专人负责警戒，避免不知情人员进入危险区。现场的岩爆风险通告应包括：风险管理的实施人、岩爆等级、施工人员注意事项、岩爆的预兆、岩爆的规避措施等内容。

（2）在岩爆洞段施工作业人员应穿防弹衣和佩戴钢盔。

（3）在中等以上的岩爆洞段施工时，安排专职安全员24小时巡查现场岩爆声响、掉块等异常情况，必要时要求施工人员撤离。

（4）所有机械、车辆操作室等重要部位需加固防护。

（5）对于强/极强岩爆，严格按照如下施工顺序施工，同时在整个施工过程中，微震监测实时开展。

实施超前锚杆支护→应力解除爆破→危石清理及高压水冲洗→经安全评估后进行出碴作业→及时喷射混凝土（必要时包括掌子面）→及时实施防岩爆锚固措施→后续实施系统支护（必须在下一个爆破循环前完成）→经安全评估后进入下一次循环。

（6）在岩爆洞段施工时，应做好各种支护材料和支护所用的工器具的储备工作，支护材料包括型钢拱架、格栅拱架、各种规格型号的锚杆，及喷混凝土所需的速凝剂等，以满足快速支护的要求.

（7）在强/极强岩爆洞段出碴时，出碴车辆等待出碴时应停放在划定的安全区域，并应保证足够的出碴车辆数量，以保证在爆破后尽快完成出碴作业。

（8）发生岩爆时，停止施工，切断机械设备电源，施工人员迅速撤离至安全地带。同时拨打急救电话通知洞外值班人员岩爆发生情况，以利洞外人员启用紧急应急预案，及时组织进行抢险救援工作。

五、结束语

精确预测预报岩爆仍旧是个世界性难题，在现有的技术水平下，尽可能地通过开挖揭露的地质资料配合微震监测数据来切实研究岩爆的防治应作为施工管理现阶段的主要任务，同时从大量的施工实践中也不难发现，采取一些必要的管理手段和工程技术手段，是可以减少岩爆发生的频率和强度的，同时也是能够保证施工人员和施工设备的安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.029

李丹锋(1961—)，男，湖北丹江口市人，高级工程师，从事水电工程建设管理工作，二滩水电开发有限责任公司安全监察部主任。

张清（1974—），男，新疆奇台人，工程师从事水电施工安全管理工作，二滩公司安全监察部。