岩爆的危害及在线监测

胡学敏，阳 俊

（湖南有色金属职业技术学院，湖南 株洲 412000）

经过大量研究数据表明，岩爆灾害的发生地一般都是高地应力区域，并且多数出现于较为干燥完整的硬脆性的岩体中。同时伴随着挖掘深度的增加，岩爆灾害的概率、危害程度也会随之增加，对各大工程的安全生产构成了严重的威胁。轻微的岩爆会导致岩石成片状脱落，并不会出现弹射情况；重大岩爆发生时会有4.6 级地震时的感觉，强烈度高达8 度，并且还会对周围地面上的建筑物带来损害，声响巨大。

1 岩爆简介

岩爆是矿业、隧道等工程中围岩体突然遭到破坏所致，在该过程中，岩体中应变能会在瞬间得到释放，从而导致岩石产生破裂最后失稳。

岩爆在地下挖掘深度较深的工程中出现频数较多，其属于一种动力破坏现象，如果岩体中堆积聚集的高弹性应变能＞岩石破坏所耗费的能量，那么岩体结构的平衡性能会消失，剩余能量则会致使岩石出现爆裂，岩石碎片会不断脱落、崩出。

2 岩爆的危害以及发生条件

2.1 岩爆的危害

一般情况下，岩爆的危害主要发生在工程的施工阶段，这对相关施工人员的生命安全与设备安全有着严重的威胁。岩爆目前是各类岩石地下工程以及岩石力学领域中的世纪性难题[1]。以上个世纪九十年代末期建设的拉平隧洞为例，该隧洞工程位于我国广西壮族自治区东兰县，共出现了三次岩爆，分别是：①在挖掘隧洞时，扒碴机正在施工，此时听到洞内左侧发生了与冰层开裂的声响，施工人员立即离开操作台，还未走远，洞左侧墙壁崩出体积25m3的岩石，直接极爱那个扒碴机掀翻、砸坏；②在施工期间，工作人员正在操控钻孔台车进行钻眼时，拱顶突然发出清脆的岩爆声响，并垂直落下体积大约在5m3左右的石块，直接将钻孔台车臂砸至变形。之后钻孔台车还未离开施工现场，设计人员、监理工程师以及众施工人员正在对围岩情况进行详细查看，拱顶又发出噼里啪啦响声，此响声大概持续了18s 左右，并掉落体积2m3的石块，不仅砸在了钻孔台车臂上，还砸中了施钻人员；③施工人员进到洞穴内对岩爆情况进行观察时，掌子面方向突然发出嘭的响声，然后掌子面上部爆出数块1.5kg左右重的块石，爆出距离均在5m 左右。由此可见，对岩爆灾害实施科学有效的措施进行预防或者治理刻不容缓，借此来降低岩爆的发生概率、减轻岩爆的危害性。

2.2 岩爆的发生条件

岩爆灾害是人类无法继续向地球深部进行开拓的主要原因，同时也是工程领域和学术领域所面临的重大难题。虽然经过众多专家、学者对该灾害上百年的研究探索，最终在岩爆机理、预测预报以及岩爆防治等多个方面获得了初步成果，但是由于岩爆属于十分复杂的动力灾害现象，从发生到后来的发展会被各种内在或外在因素影响，比如：地质条件、开挖卸荷方式以及隧道断面形状等，所以，工程状况不同，形成岩爆的原因也不同。最终能肯定的是，岩爆发生的原因与地应力和岩性有直接关系，这就跟常规压力试验机器中试件受到破坏时所产生的动态过程相同。从发生岩爆的区域取出一块岩芯，且该岩芯的类型为砂岩，那么将其原有地应力解除之后，将其放置常规性压力试验机上进行加载，其就能够将发生岩爆时的情景重新呈现出来[2]。这主要是由于岩石有着强大的记忆功能，细化来说，就是该砂岩在首次加载时调整至3 兆帕，那么会出现声发射信号，持续加载的同时，其AE（声发频度）也会不断提升，若是对其卸载后，再次对其进行加载并调整至3 兆帕，此时岩石声发射信号就会再次出现。如果加载＞20 兆帕时，其AE 数值会上升至最高，即试件破裂程度也会到达极限，此时有势能的积累以及扩容的积累会共同出现。当高势能转变成动能时，扩容速率会超过势能的累积速率，从而出现迸发爆裂，某些试件的岩块也会被喷出。所以，总结之后就是地下工程出现岩爆的条件有：有岩爆所需的能源；有积累、扩容高势能的环境；有高势能变成动能的媒介。

不仅如此，当出现以下集中情况时，也会发生岩爆灾害。即：①山体中地应力偏高，且岩体中保留的应变能较大，大到已经超出了硬岩石本身的强度时；②围岩具备较强硬度、较高脆性以及较高弹性，且新鲜度、完整度高，无缝隙或者只有隐性裂缝，可以存储能量，变形性质是脆性破坏类型，在解除应力之后，回弹变形极小；③埋深偏大，超过200m，距离沟谷切割的卸荷裂隙带较远；④地下水较为缺乏，岩体较为干燥；⑤地下工程开挖过程中，其断面形状不合理，洞室群以及岔洞极多，或者是断面出现变化从而导致局部应力聚集的区域。

3 岩爆现场在线监测技术

在开采矿山的过程中，应力会不断集中并致使硐室中围岩应力出现反复变化与调节，而若是岩体所遭受到的应力＞自身所具备的强硬度时，岩爆灾害就会发生。为了能够对岩爆灾害进行合理预测预防，相关工作人员需要对硐室围岩内部应力的大小变化情况进行及时监测与掌握，用此数据判断岩体有无受到损伤和受损级别。在线监测技术主要是针对岩体内部应力、变形程度和受损特征进行严格监测记录，从而得出该区域可能会出现岩爆灾害的几率，并对其实施科学合理的措施进行预防或控制，为矿山生产的安全性与稳定性提供有力保障。

近些年，无论是国外还是国内，对岩爆灾害进行监测的方式有三种类型：①区域监测。包含微震监测、地音（声发射）监测以及电磁辐射法等。②位点监测。应用较多的有钻孔应力监测、顶板离层监测以及钻屑法等；③综合监测。其主要是将多个监测方式集为一体，其中多通道声发射监测与微震监测占据主要地位，应力监测与位移监测对其提供辅助[3]。以声发射监测仪为例，每个测量点的范围控制在5m～8m 之间为最佳，两个相邻测点的距离不得超过16m，监测时长单次至少为5 分钟，并对每min 声响的频率进行详细记录，以五个频变值中Namx（数值最大的）当做特征值，通常情况下，参考数值如下所示：

Namx 不低于20 次/min，可断定岩本已经受到了较为严重的破坏，此时需要每天监测一次或一次往上；

当Namx 处于每10 次/min 或以上，但是低于20 次/min 的范围内，那么可判断出岩体受到了破坏，每天需要监测一次；

Namx 在5 次/min 或 以 上，但 是 低 于10 次/min 的 范围内，那么岩体则是刚刚受到破坏，可每间隔一天监测一次；

Namx 低于5 次/min 时，可每间隔两天监测一次。

此外，还需要对地下的恶劣环境进行充分考虑，在选择地音仪时，应当配备完好的放大器与高效益放大器，并多加查看输出阻抗和探头输出阻抗是否匹配。如果是定性监测，应当配置监听需要用到的耳机与数字记录器；如果是定量监测则应当配置高速记录与磁带记录器。

但是，区域监测中的方式对于范围面积较大的矿震现象可以进行监测，然而却无法做到对震源进行精准定位，并且反应震动能量高低时形式太过单一，极易受到各种因素的影响，同时也无法反应出矿震对于巷道所产生的影响。所以目前各类工程在对岩爆进行在线监测时，会更多的应用综合监测技术。根据岩爆的在线监测技术发展情况来看，尤其是金属硬岩石山，都将传统较为单一的监测技术逐渐转变为联合监测技术。比如我国红透山矿，应用的是从国外引进的6 通道全数字型微震监测系统；冬瓜山铜矿应用的则是将应力监测、位移监测以及微震监测集为一体的综合监测技术；湖南柿竹园矿应用的是多通道声发射监测、单通道声发射监测、应力监测和位移监测结合的综合监测技术。这种将区域监测与位点监测进行有机结合的实时在线监测方法，不但能够将单一监测方式应用中存在的问题予以解决，还能够相辅相成，确保监测数据的准确性和可靠性，从而使得预警预报更加及时精准。

4 结语

早在1987 年，联合国就把岩爆定位为自然灾害的一种，这足以证明岩爆的危害性和破坏性，对此，相关部门及人员需要不断对岩爆的出现机制、产生条件以及主要原因进行探索研究，同时各大地下工程在施工过程中也要灵活运用各种监测技术，对其应力、受损程度予以实时在线监测，有助于后期对岩爆的预防和治理工作，也能够为生产环节的安全性提供一定保障。