时滞型岩爆的研究与预防综述

2021-04-01汪驰宇刘哲汛彭有李皓然刘刚王德超贾蓬

采矿技术 2021年2期

汪驰宇，刘哲汛，彭有，李皓然，刘刚，王德超，贾蓬

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象。岩爆按照发生的时间分类可分为即时型岩爆、间歇型岩爆和时滞型岩爆。时滞型岩爆是指开挖卸荷后应力调整平衡后，在外界扰动作用下而发生的岩爆[1]。时滞型岩爆由于发生在围岩开挖后的数小时至数十小时不等，并随着岩体开采程度的加深而发生频繁，具有破坏性强、危害性大、发生征兆不明显等特点。为此，国内外学者对时滞型岩爆的岩爆判据、分级方法、孕育过程、岩样实验、岩爆防治做了大量的研究。针对目前滞后岩爆的研究，本文分别从时滞型岩爆的蠕变试验、岩石变形时的声发射监测、岩爆的监测预防研究3个方面总结介绍。

1 岩石的蠕变试验

岩石蠕变是指在常值应力持续作用下,岩石变形随时间而持续增加的性质[2]。在深部高应力条件下，花岗岩、灰长岩等硬岩亦具有明显的流变特征[3-4]。由此可知蠕变试验是了解岩爆发生机理的的一种重要方法。Adams于1901年开始进行大理岩的抗压蠕变试验[5]。Giggs[6]首次使用梁式试件对石灰岩、页岩等岩石在室温条件下进行了蠕变试验研究，认为当岩石施加载荷达到岩石自身极限荷载的 12.5%～80%后就会产生蠕变。此后岩石的室内和现场试验就成为研究岩石变形特征和规律的有效手段，有关岩石蠕变方面的研究和成果日趋完善。李永盛等[7]对4种不同强度的岩石材料采用伺服刚性机进行了单轴压缩条件下的蠕变和松弛试验，认为在一定水平常应力作用下，岩石蠕变都会经历速率减小、速率稳定和速率增大3个阶段；且岩石的初始损伤和裂隙、介质不均匀性会造成岩石松弛曲线变化规律的不同。杨圣奇等[8-9]对坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验，分析了围压对硬岩流变变形的影响，并得出岩石流变破坏实质是由于材料结构的缺陷及非均质性和微裂隙长期损伤累积破坏综合作用的结果。刘东燕等[10]使用液压伺服岩石试验系统对灰岩进行单轴压缩蠕变试验，认为岩石的蠕变破坏是其损伤随着时间的逐渐积累，并伴有细观和宏观的裂纹扩展。杨艳霜等[11]对锦屏二级水电站的大理岩进行单轴压缩破坏试验研究，发现岩样破坏的裂纹都沿轴向扩展，且当岩样的环向应变开始接近并超过轴向应变时，发生破坏的几率将大大提高。王军保等[12]对盐岩进行了3种不同加载路径下的蠕变试验，得出了围压和不同加载路径对岩石蠕变特性的影响。

从上述研究中可以看出，岩石的蠕变特性与岩石的初始损伤、内部的裂隙、岩石的围压、岩石的岩性，以及加卸载的不同路径密切相关。为了更好描述岩石蠕变过程，许多专家基于各种影响因素建立了描述岩石蠕变特性的岩石损伤模型。刘光延等[13]利用多轴非线性流变模型，将砾岩在多轴应力条件下的流变试验成果应用于新疆某拱坝的实际工程之中，提高了仿真数值的计算准确性。冒海军等[14]对板岩进行了不同围压与轴压下的三轴蠕变试验，塑性模型的拟合曲线与试验数据在衰减蠕变与稳定蠕变试验中板岩因轴压的不同产生了衰减蠕变与稳态蠕变两种过程，与六元件的广义弹黏变过程基本吻合。赵延林等[15]针对具有较强流变性的节理软岩，基于裂隙闭合体和非线性牛顿体建立了一种反映节理软岩黏弹塑性特征的复合元件流变模型，通过对比金川Ⅲ矿区软弱节理矿岩的试验曲线，验证了该流变模型的合理性。朱杰兵等[16]对锦屏二级水电站引水隧洞绿砂岩采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内流变试验，建立起了岩石损伤演化方程及变参数非线性 Burgers 模型，验证了此流变本构模型较好反映了锦屏绿砂岩卸荷条件下的衰减蠕变阶段和稳定流变特性。苏国韶等[17]使用动静加载试验系统模拟不同加载条件下岩石的断裂特征，并通过三轴试验提出：引发劈裂的机制与引发岩爆的机制密切相关，验证了该测试系统可以很好地应用于深部地下工程研究中。辛亚军等[18]对红砂岩样进行了高应力区峰后单轴压缩蠕变试验，基于试验结果探讨了红砂岩蠕变破坏机制，并引入了模型，验证了该模型能较好反映峰后红砂岩高应力区的蠕变特性。

由于岩爆发生的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性，普遍存在一个孕育过程[19]。上述通过室内单轴、三轴试验建立起描述岩石蠕变的理论模型，为研究岩石的工程特性和长期流变特性的机制与规律提供了方便，对于时滞型岩爆的研究有着重大的工程意义。为了更加有效监测室内试验中岩石试样的变化，需要采用有效的监测手段监测岩石的内部情况。声发射监测则是一种有效的监测手段。

2 声发射监测

材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应力应变能的现象称为声发射。岩石蠕变过程中会发出大量声信号，对信号进行分析可推断岩样内部的状态变化，进而为研究岩石特征提供重要依据。陈颙[20]于20世纪70年代开始研究三轴试验下岩石的声发射，认为岩石声发射速率不但与应力状态变化有关，还因应力途径不同而异。陈宗基[21]利用蠕变扩容理论和简化的脆性破坏理论对南盘江天生桥进行分析验证，得出声发射的频度和大小随时间而增加是地震事件发生的前兆。有外国学者[22]指出，岩石试样在加载开始时通常会产生大量声发射事件，而后声发射事件逐渐减少到一个相对较低且恒定的水平，随后某个应力水平下声发射事件数迅速增加直到岩石试件失效。在国内也有相应学者得出了有关声发射研究成果。李庶林等[23]对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，在弹性阶段的初期和后期，岩石声发射事件数随着应力水平增加而增加，而在接近峰值强度时声发射事件数却明显的下降，出现相对平静阶段，在峰值强度后的声发射现象仍然明显。赵兴东等[24]应用声发射系统对花岗岩进行单轴压缩试验时发现，声发射活动在初始裂纹形成之前不明显，当出现初始裂纹后，声发射事件就明显增多。在初始裂纹形成之后岩石会蓄积一定的加载能量，在能量蓄积到一定程度之后才会再进行扩展表现出“平静区”。刘东燕等[25]对深部灰岩的单轴蠕变压缩试验中蠕变与声发射之间的关系进行分析，认为声发射特征能很好地表征岩石整个蠕变变形过程中岩石微观结构的变化，对岩爆灾害的预测预报具有重要的指导意义。许江、任松等[26-27]在探究不同岩石在周期性载荷作用下的声发射规律时都发现，岩石声发射在不同应力幅度和加载速率下有着不同的发展模式，预示着不同的岩石破坏速率。

上述学者的试验都表明岩石的声发射能够很好反映出岩石内部微观裂隙的扩展和能量积蓄情况，这为了解岩石内部结构的变化以及判断岩石破坏的时机提供了参考。刘亚运等[28]对花岗岩进行声发射特征研究时发现，单轴和三轴试验中达到岩石峰值应力强度的90%时，声发射累计计数会突然增大，这是花岗岩破坏的前兆特征。周煜等[29]对二长花岗岩进行三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验，指出岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关；岩石进入塑性变形的中后期，裂纹大量扩展，弹性应变能大量释放，声发射信号强烈；当达到塑性中后期的标志点时，岩石试件即将产生主破裂。杜帅等[30]利用声发射研究大理岩破坏时的内在规律，发现大理岩破坏时声发射信号主频主要集中在2个频率带中，此为破坏时声发射的本征固有频率，且频率不随加载应力的变化而变化。侯公羽等[31]对水泥砂浆厚壁圆筒围岩试样使用自研的开挖卸荷试验系统，探究了巷道围岩加载卸载等4个阶段的变形规律，表明均与声发射振铃累计曲线有着良好对应关系。王春来等[32]基于信息熵理论分析了花岗岩在三轴条件下的岩爆模拟试验，发现在岩爆发生前，时间和空间熵值都出现了急剧下降的现象，该下降点可作为岩爆预警点。

声发射随着岩爆的孕育过程有着明显的强弱变化规律，加大对岩石岩爆声学特性的研究，会是今后岩爆研究的一个重要方向。岩石声发射的变化特征是研究岩爆滞后性的重要工具，也为岩爆的监测预防提供了一种有效的手段。为了更好地监测预防岩爆的发生，减小工程实际中的人员和财产损失，许多学者对更多更有效的监测手段展开了研究。

3 岩爆的监测预防

岩爆是当代深部采矿地质力学中的“癌症”[33]。自 1738年在英国南史塔夫煤田莱比锡煤矿坑道首次记录岩爆以来，这一地质灾害的预测预报和防治就引起了强烈关注。我国的许多学者进行了一系列的试验研究，随着我国“一带一路”等政策的推行和“向地球深部进军”口号的提出，地下工程将向更深条件、更复杂地域发展，而越来越频繁的岩爆造成了重大人员伤亡和设备损失。为此提前监测岩体，预防岩爆的发生显得十分必要。岩爆是否产生除了与岩石本身的性质有关，还受岩石埋深、地质环境以及开挖尺寸等因素的影响[34]。岩爆是高地应力地区因开挖卸荷引起的围岩动力破裂现象，其发生的主要机制已大致清晰，由此并结合工程实际可以推断，岩爆发生前一定是有前兆的，这给岩爆的监测预报提供了可能[35]。现有的岩石工程设计原理和支护理论基本满足浅部岩石工程的实践需要，但是对于深部岩石工程，尚存在很大的不适用性[36]。通过在实验室再现岩爆过程，可以对岩爆发生的机制进行研究，分析影响岩爆的因素，为进一步进行岩爆的预测与防治提供实验依据[37]。

有学者基于室内实验结果提出并验证了多种岩爆预防的模型，为岩爆的预测和防治提供了依据。梁志勇[38]基于岩石单轴抗压破坏特征和强度概率的分布规律，提出了一种有效预测不同应力条件下各级岩爆发生概率的模型。左宇军[39]建立了一种洞室层裂屈曲岩爆的突变模型，得出了洞室层裂屈曲岩爆在准静态破坏条件下的演化规律，较好反映了岩爆孕育的复杂演化过程。杨健等[40]在综合分析岩爆发生的基础上，系统归纳了产生岩爆的影响因素，提出了一种定性预测与定量评价相结合的岩爆综合预测评价法。苏国韶等[41]利用真三轴岩爆实验系统在室内再现了岩爆动力破坏过程，提出了一种基于声音信号的岩爆烈度评价指标。还有学者[42]为了克服传统岩爆预测模型大多为定性的缺陷,以定量评价岩爆发生的剧烈程度，提出了一种新的隧道岩爆概率预测的模型，并以锦屏二级水电站岩爆为案例，验证了所提方法的有效性。贾雪娜等[43]利用深部岩爆过程模拟系统进行了花岗岩的岩爆声发射模拟试验，找出了花岗岩岩爆阶段的声发射频谱的连续型波形和低频高幅值的特征。王春来等[32]基于声发射模拟试验和信息熵理论，找出了岩爆发生的预警点。

现有的岩爆预警方法大致可以归为4大类，这些岩爆预测方法都有着不同的优缺点和适用范围[44]。其中现场监测法能够实时监测岩爆风险，应用效果较好，且能24 h不间断实时获取岩爆发生前的微震信息，来实时预测预警岩爆。许多学者依托于各种工程建设实际情况，提出了诸多有效的现场监测方法，为工程建设安全提供保障。唐礼忠等[45]采用微震监测系统实现了冬瓜山铜矿岩爆的实时监测和预报，实现了对该矿开采过程的岩体动态响应的连续监测。刘建辉等[46]采用电磁辐射法对平煤八矿己组西大巷的岩爆进行监测，节省了大量的时间和费用，并验证了电磁辐法预测岩爆的可行性。和江涛等[47]在双江口发电系统工程中布设了多种监测系统，建立动态监测大数据与施工的联动系统预警机制，保障了施工的正常进行。在引汉济渭工程隧洞施工过程中，诸多学者[48-50]采用微震监测、电磁辐射监测、声点综合预警机制等手段，结合模糊数学方法，基于能量指标等的岩爆判别方法，提前采取相应的预防措施，降低了岩爆产生的概率，保障了施工人员和设备的安全。

由上述研究可见：岩爆的预测手段越来越多样化，从传统的岩爆模型预测、微震监测、电磁辐射法、信息熵理论到与数学交叉的模糊评价法，并且随着大数据、5G和人工智能等新兴技术在工程实际中的应用，基于物联网、大数据、云计算和虚拟现实技术的岩爆预警系统前景广阔。