[科普中國(guó)]-巖爆

巖爆1是指地下開采的深部或構(gòu)造應(yīng)力很高的區(qū)域，在臨空巖體中發(fā)生突發(fā)式破壞的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也稱為巖爆。發(fā)生的原因是臨空巖體積聚的應(yīng)變能突然而猛烈地全部釋放，致使巖體發(fā)生像爆炸一樣的脆性斷裂。沖擊地壓造成大量巖石崩落，并產(chǎn)生巨大聲響和氣浪沖擊，不但可將礦井破壞，而且震動(dòng)波可危及地面建筑物。2

釋義巖爆，也稱沖擊地壓，是一種巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能在一定條件下突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來(lái)的現(xiàn)象。巖爆是深井礦山面臨的主要安全隱患之一。輕微的巖爆僅有剝落巖片，無(wú)彈射現(xiàn)象，嚴(yán)重的可測(cè)到4.6級(jí)的震級(jí)，烈度達(dá)7一8度， 使地面建筑遭受破壞，并伴有很大的聲響。巖爆可瞬間突然發(fā)生，也可以持續(xù)幾天到幾個(gè)月。發(fā)生巖爆的條件是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過(guò)了巖石本身的強(qiáng)度，同時(shí)巖石具有較高的脆性度和彈性，在這種條件下，一旦地下工程活動(dòng)破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)，巖體中積聚的能量釋放就會(huì)導(dǎo)致巖石破壞，并將破碎巖石拋出。3

發(fā)生條件與原因發(fā)生條件（1）近代構(gòu)造活動(dòng)造成深部礦巖內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲(chǔ)存著較大的應(yīng)變能，當(dāng)該部分能量超過(guò)了巖石自身的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生巖爆事件；
（2）堅(jiān)硬、新鮮完整、裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性的圍巖，能夠儲(chǔ)存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當(dāng)因工程開挖解除應(yīng)力后，由于回彈變形很小，極有可能造成巖石爆裂并彈出；
（3）如果地下水較少，巖體干燥，也容易發(fā)生巖爆；
（4）開挖斷面形狀不規(guī)則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應(yīng)力集中的地帶，是巖爆容易發(fā)生區(qū)域。3

發(fā)生原因發(fā)生原因：圍巖強(qiáng)度適應(yīng)不了集中的過(guò)高應(yīng)力而突發(fā)的失穩(wěn)破壞1。

防治措施：應(yīng)力解除、注水軟化和使用錨栓-鋼絲網(wǎng)-混凝土防爆支護(hù)等。4

特點(diǎn)深井礦山巖爆有如下特點(diǎn)：
（1）突發(fā)性
在未發(fā)生前，并無(wú)明顯的i正兆，甚至可能聽不到空響聲，一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，也會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊有時(shí)應(yīng)聲而下，有時(shí)暫不墜下。
（2）部位集中性
雖然巖爆發(fā)生地點(diǎn)也有距新開挖T作面較遠(yuǎn)的個(gè)別案例，但大部分均發(fā)生在新開挖的工作面附近。常見的巖爆部位以拱部或拱腰部位為多。
（3）時(shí)問(wèn)集中性與延續(xù)性
巖爆仵殲挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后24 h內(nèi)發(fā)生，延續(xù)時(shí)間一般為l～2個(gè)月，有的延長(zhǎng)1年以上，事前一般無(wú)明顯預(yù)兆。
（4）彈射性
巖爆時(shí)，巖塊自洞壁圍巖母體彈射出來(lái)，一般呈中厚邊薄的不規(guī)則片狀。3

危害與防治危害巖爆是深埋地下工程在施工過(guò)程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。

巖爆往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡，已成為巖石地下工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題。輕微的巖爆僅剝落巖片，無(wú)彈射現(xiàn)象。嚴(yán)重的可測(cè)到4.6級(jí)的震級(jí)，一般持續(xù)幾天或幾個(gè)月。發(fā)生巖爆的原因是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過(guò)了巖石本身的強(qiáng)度，同時(shí)巖石具有較高的脆性度和彈性。這時(shí)一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強(qiáng)大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出。預(yù)防巖爆的方法是應(yīng)力解除法、注水軟化法和使用錨栓-鋼絲網(wǎng)-混凝土支護(hù)。3

防治深井丌采過(guò)程中，應(yīng)采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)措施，確保巖爆地段的作業(yè)安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低：
（1）研究確定開采區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)以及容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象的部位，優(yōu)化施工開挖和支護(hù)順序，為巖爆防治提供初步的理論依據(jù)。
（2）加強(qiáng)超前地質(zhì)探測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。
（3）采用充填采礦法，并采取強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充的“i強(qiáng)”采礦技術(shù)，盡快消除巖爆發(fā)生的空間條件。
（4）優(yōu)化爆破參數(shù)，盡可能減少爆破對(duì)礦巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。
（5）采礦作業(yè)線推進(jìn)應(yīng)規(guī)整一致，不應(yīng)有臨時(shí)小銳角的出現(xiàn)。沿走向前進(jìn)式同采順序比后退式同采更有利于控制巖爆單向推進(jìn)采礦T作面不能滿足生產(chǎn)規(guī)模要求時(shí)，應(yīng)采用從中央向兩側(cè)推進(jìn)的同采順序．一個(gè)中段生產(chǎn)規(guī)模不足而實(shí)行多中段同時(shí)生產(chǎn)時(shí)，一般下中段推進(jìn)速度要怏于上中段，且中段問(wèn)盡可能不留尖角礦柱。
（6）多層平行礦脈殲采時(shí)，先采巖爆傾向性弱或無(wú)巖爆傾向礦脈，解除其他巖爆傾向性強(qiáng)的礦脈的應(yīng)力，防止巖爆的發(fā)生；巖爆傾向性強(qiáng)烈的單一礦脈回采時(shí)，先回采礦塊的頂柱并用高強(qiáng)度充填料充填，解除礦房的應(yīng)力后再大量回采礦石，下向分層充填法比上向分層充填法更有利于控制巖爆。3

地質(zhì)構(gòu)造巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造的堅(jiān)硬巖石中。

巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時(shí)，極容易觸發(fā)巖爆。

巖體中節(jié)理密度和張開度對(duì)巖爆有明顯的影響。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時(shí)，也可能發(fā)生巖爆。

巖爆-應(yīng)力條件1．用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值進(jìn)行分析；

2．用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷。

圍巖應(yīng)力條件經(jīng)驗(yàn)公式：σ1/σc>0.165～0.35(或σc/σ1>6.06～2.86)的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。

巖爆-預(yù)防及處理采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：

1．在施工前，針對(duì)已有勘測(cè)資料，首先進(jìn)行概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，通過(guò)三維有限元數(shù)值運(yùn)算、反演分析以及對(duì)隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)以及施工過(guò)程中哪些部位及里程容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護(hù)順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。

2．在施工過(guò)程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地溫探測(cè)方法，同時(shí)利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運(yùn)用判斷可能發(fā)生巖爆高地應(yīng)力的范圍。

3．打設(shè)超前鉆孔轉(zhuǎn)移隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機(jī)或液壓鉆孔臺(tái)車打設(shè)超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環(huán)可布置4～8個(gè)孔，深度5～10m，必要時(shí)也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1～3m不等。必要時(shí)，若預(yù)測(cè)到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4．在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)觀察、通過(guò)對(duì)輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測(cè)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以定量化地預(yù)測(cè)滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，以確保安全。

5．在開挖過(guò)程中采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，同時(shí)利用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制用藥量，以盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。在巖爆地段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5m以內(nèi)。

6．加強(qiáng)施工支護(hù)工作

支護(hù)的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)。必要時(shí)還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。襯砌工作要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時(shí)間，減少巖爆的發(fā)生和確保人身安全，必要時(shí)可采取跳段襯砌。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備好臨時(shí)鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進(jìn)行支護(hù)，以防發(fā)生事故。

7．對(duì)發(fā)生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來(lái)釋放應(yīng)力。以降低巖爆的強(qiáng)度。

8．在巖爆地段施工對(duì)人員和設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，以保證施工安全。5

巖爆-特點(diǎn)1．巖石砂巖為主，巖石堅(jiān)硬干燥，在未發(fā)生前，無(wú)明顯的征兆，雖經(jīng)過(guò)仔細(xì)尋找，并無(wú)空響聲，一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊一般應(yīng)聲而下。

2．巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的掌子面及距離掌子面1～3倍洞徑范圍內(nèi)，個(gè)別的也有距新開挖工作面較遠(yuǎn)。

3．巖爆時(shí)圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可達(dá)數(shù)噸重。小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的魚鱗片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。

4．巖爆圍巖的破壞過(guò)程，一般新鮮堅(jiān)硬巖體均先產(chǎn)生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn)，裂隙一旦貫通就產(chǎn)生剝落或彈出，屬于表部巖爆。

5．由于爆破振動(dòng)影響，造成開挖洞段應(yīng)力重新分布，造成磧頭較大面積巖爆、爆落出的小塊魚鱗片狀碎屑甚至堵塞整個(gè)巷道。6

事故案例雅西路泥巴山隧道出口段發(fā)生大型重度巖爆

2011年8月7日凌晨3點(diǎn)17分，正在掘進(jìn)的泥巴山隧道出口（中鐵十二局C7合同段）右線距離掌子面約20米處，在已經(jīng)完成的初期支護(hù)yk59+379-yk59+339縱向長(zhǎng)度40米范圍內(nèi)發(fā)生大型重度巖爆。強(qiáng)烈的巖爆活動(dòng)發(fā)生時(shí)發(fā)出的巨大響聲，將進(jìn)洞右側(cè)拱腰至拱頂位置的巖石劈裂成板狀、塊狀、片狀，在縱向40米范圍連續(xù)出現(xiàn)，最大深度達(dá)3.6米，剝落的大量巖石四處散落堆積，將噴漿機(jī)、電焊機(jī)等設(shè)備掩埋。該段圍巖初期支護(hù)時(shí)間為2011年7月22日至28日，采取了掛網(wǎng)噴錨以及分段立拱架的方式施工，8月7日晚巖爆發(fā)生時(shí)將拱架、錨桿支護(hù)系統(tǒng)破壞，呈現(xiàn)出爆發(fā)時(shí)間集中、縱向連續(xù)、潛伏時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，按照巖爆劃分標(biāo)準(zhǔn)屬于強(qiáng)烈重度巖爆，在泥巴山施工以來(lái)尚屬首次出現(xiàn)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院