深部开采岩爆研究现状综述.docx

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深部开采岩爆研究现状综述

深部开采岩爆研究现状综述

摘要：

岩爆是一种世界性的地质灾害，随着矿山开采深度的增加，岩爆已经成为一种越来越突出的潜在威胁，极大地威胁着矿山施工人员和设备的安全。

目前，国内外在岩爆方面做了大量的研究工作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和方法。

本文针对岩爆定义、岩爆发生机理、岩爆预测预报、岩爆控制的研究现状，进行了归纳分析与评述。

关键词：

岩爆，岩爆发生机理，岩爆预测，研究现状

前言

随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，地下开采的深度越来越大。

近年来，我国一些金属矿相继进入深部开采，如云南会泽铅锌矿采深已超过1000m，铜陵冬瓜山铜矿采深已达1100m，抚顺红透山铜矿已进入900-1100m深度，湘西金矿超过850m，山东玲珑金矿采深己达800m。

深井矿山开采，最显著的变化是显现“高应力、高温和高孔隙水压”的“三高”特性，开采环境大大恶化，潜在的重大安全隐患增多。

岩爆作为地下工程的一大危害，直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，如何有效的减轻岩爆引起的灾害，已成为世界性的地下工程难题之一，并受到世界各国相关学者的广泛关注。

岩爆发生地点具有“随机性”、孕育过程具有“缓慢性”、发生过程具有“突发性”，对生产安全和工程可靠性的危害极大，已经严重影响了矿山的正常生产。

目前，国内外在岩爆方面做了大量的研究工作，但是，由于岩爆问题极为复杂，还没有成熟的理论和方法。

1、岩爆定义及分类

1.1岩爆的定义

时至今日还没有一个统一公认的岩爆定义。

在谈到岩爆时，人们通常会说岩爆就是高强度脆性岩石的猛烈破坏，或者说是储存在岩体内的弹性应变能突然释放。

国内普遍认为岩爆是地下工程或采矿过程中岩体破坏的一种形式。

它是处于高地应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动的扰动下，其内部储存的应力能瞬间释放，造成开挖空间周围部分岩体从母岩体中急剧、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。

岩爆的发生常伴随着岩体震动。

1.2岩爆的分类

总结和分析后，可根据岩爆的应力类型和破坏方式，将岩爆进行分类。

1.2.1以引起岩爆发生的应力类型划分

岩爆的发生是由于岩体内部应力集中超过岩体的强度，岩体中集聚了大量的应变能，在外界扰动因素的诱发下，导致能量释放的一种地质灾害现象。

以引起岩爆发生的应力类型为依据进行岩爆类型划分的理论基础就在于此。

总结后，将岩爆分为如下三类。

（1）构造应力型，包括水平应力型（板块挤压、走向断层），构造应力集中型（断层,褶皱），边坡应力集中型（边坡效应造成的坡角应力集中，边坡卸荷造成的应力集中）。

（2）垂直应力型，上覆岩体自重产生的应力（地壳运动处于平静期或者以水平向运动为主）和重力异常区（粘滞效应造成的异常，多发生在地壳处于上升或下降运动过程中的地区，以及一些地层结构变化复杂的地区，煤层、铜矿、含水层等）

（3）混合应力型，包括因岩性变化造成软硬相间的地层过渡带（因储能体性质发生变化，变质岩变质程度不同的界面），岩脉或岩墙的出现（因岩浆的侵入造成两侧岩体中赋存较高的应力、蚀变带），构造应力与垂直应力不易区分的地区

1.2.2以破坏方式分类

（1）矿柱破坏型岩爆

房柱法采矿的矿柱、留点柱分层充填法的点柱、长壁法开采的采场工作面等突然破坏，从而诱发矿柱周围岩体瞬间跨落，造成大量的设备损坏和人员伤亡，这种岩爆称为矿柱破坏型岩爆。

这种岩爆往往发生在大面积房柱法开采和分层充填法的采场内，容易发生连锁反应，导致矿柱相继破坏，造成采场内大范围塌落，甚至使整个采场报废。

（3）剪切破坏型岩爆

矿体的大面积开挖导致巷道周围未采岩层应力急剧升高，当应力达到完整岩体破坏条件时，导致岩体沿某一方位发生剪切破坏。

岩体的突然破裂导致破裂面上下盘岩体发生错动，这种错动产生的岩体位移传播到采场或巷道的采空区时，造成空问自由面附近岩体突出和破坏，这种岩爆称为剪切破坏型岩爆。

（4）弯曲破坏岩爆

在垂直于层状岩体巷道掘进或采矿时，由于平行于岩层层理方向的原岩应力很大，采矿或掘进巷道会造成平行层理方向的岩层暴露面积过大，这有可能导致岩层发生突然弯曲折断。

这种岩爆发生在采场时，导致采场顶板岩体呈薄板片状态突然冒落甚至垮塌；发生在采掘巷道内时，表现为巷道两侧岩帮或巷道迎头岩石呈薄板状突然破坏。

（5）断层滑移型岩爆

大范围采矿，特别是采矿工作面推进方向与前方岩体内原有地质构造若面的法线方向一致时，由于采矿解除了长期施加在构造弱面法线方向的夹持力，导致原本活动性很差的断层重新活化，沿原来弱面重新滑动。

与剪切岩爆机理相近，当岩体位移传播到采场或巷道临空面时，导致岩体大量破坏，这种岩爆称之为断层滑移型爆破。

1.3岩爆烈度分级

迄今为止,国内外对岩爆烈度分级问题尚有不同的见解。

德国学者G.布霍依诺1981年根据岩爆发生时对工程的危害程度,将岩爆烈度划分为轻微损害、中等损害、严重损害三级；挪威岩爆权威人士拉森斯（Russeness.B.F）的岩爆烈度分级方案在国外很有影响,他在1974年研究挪威陡山坡隧道时,就根据岩爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征等将岩爆烈度划分为0级-3级共四级。

谭以安1988年依据岩爆发生时的力学和声学特征、破坏方式及其危害程度将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级；王兰生1998年在谭以安的基础上,进一步根据声响、运动、时效、影响深度、工程危害和破裂性质将岩爆烈度划分为轻微-剧烈四级。

1.4岩爆发生的条件

新鲜、坚硬、完整、致密的脆性岩石，在一定的应力水平作用下，局部破裂岩块因可能获得足够的突然释放的动能而产生岩爆。

按岩石单轴抗压强度指标（盯。

）可将岩石的岩爆倾向由强到弱分成3类：

σc≥180—235MPa，猛烈弹射，属强岩爆；80MPa≤σc<180IVIPa，崩落掉块，属弱或中等强度岩爆；σc<80MPa，无弹射，一般不发生岩爆。

2、岩爆形成机理研究现状

近几十年来,国内外在岩爆预测预报方面做了大量的研究工作,但是,由于岩爆预测问题极为复杂,国内外还没有成熟的理论和方法。

到目前国内外学者已提出了“强度理论”、“能量理论”、“刚度理论”、“冲击倾向理论”、“三准则理论”、“突变理论”、“分形理论”、“失稳理论”等众多理论。

这里将现有的几种方法综述如下。

2.1强度理论

人们对地下工程认识到只要作用于围岩单元上的应力大于围岩系统的强度就会发生破坏，这便是后来形成的岩爆的强度理论。

早期岩爆的强度理论主要是围绕岩体形成应力集中而提出的各种假说。

近代岩爆的强度理论着眼于矿床-围岩这一力学系统的极限平衡条件，根据具体问题提出岩体结构模型，结合材料的物理力学性质建立数学模型进行定量分析。

具有代表性的有布霍依诺提出的央持煤体理论，这一理论认为，煤体处于顶底板夹持之中，央持特性决定了煤体一围岩系统的力学性质。

产生岩爆的强度条件是：

矿体-围岩交界处达到极限平衡。

2.2能量理论

在岩爆发生的地方往往会伴随着岩块猛烈的抛射，由此，人们意识到剧烈的动力抛射后面必然有一股巨大的能量，是它使破坏后的围岩飞射出来。

基于此，Cook等人在总结了南非十五年来的岩爆研究与防治的基础上于20世纪60年代提出了能量理论。

这一理论依据岩爆发生时大量岩块抛出，围岩震动等现象需要大量能量，而这样大的能量仅来自被破坏矿体本身是不够的，一定与周围的介质有关。

岩爆发生后，围岩．矿体力学系统的平衡状态被打破，转变到新的平衡状态，若其力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的各种能量时，即产生岩爆。

2.3刚度理论

刚度理论的产生来源于压力机理。

Cook和Hojem设计制造了一台刚性试验机，首次得到了大理石的全程应力一应变曲线。

从此对岩石破裂的力学现象有了更进一步的认识，搞清了试样产生猛烈破坏的原因是由于试件刚度大于试验机刚度所致。

Cook将所得到的结论用于解释矿山发生的岩爆现象，在一定程度上揭示了岩爆的实质。

七十年代布莱克对此理论有了更深一层的认识，并用于分析美国加利纳矿的岩爆问题。

该理论认为，矿山结构（矿体）的刚度大于矿山加载系统（围岩）的刚度，是产生岩爆的必要条件。

国内耿乃光等采用拼合手段将岩石样品压裂，结果也发现这一现象。

这种以加载系统和试件之刚度差异为发生岩爆必要条件的理论称为刚度理论。

从刚度理论表达式不难看出，尽管它有简单、直观等特点，但不足之处在于没有正确反映发生岩爆的力学系统的动力过程。

此外，该理论中矿山加载系统，特别是矿山结构的刚度，在概念上不明确、无统一的计算式，而且矿山结构达到峰值强度后的刚度难以确定，所以这一理论的应用受到了限制。

2.4击倾向性理论

冲击倾向性理论认为，岩石本身固有一种冲击倾向的属性，如果岩石的实际冲击倾向性大于所规定的极限值，即产生岩爆。

辽宁工程技术大学章梦涛，潘一山等人采用橡胶、松香的组合体模拟岩爆的动力现象，提出了冲击地压模型。

冲击倾向的指标较多，主要有弹性变形能指数、脆性系数、有效冲击能指数、极限能比、极限刚度比、破坏速度指数、应力—应变时间特性指数、最大塑性指数等，这些指标只是对岩石的衡量，是否发生岩爆还决定于系统的状念。

这种理论国内外应用得比较多，其比较简单、测定容易等，但所测定的值离散性比较大。

2.5分形理论

谢和平等人利用分形几何学的方法来研究冲击地压发生的机理和预测预报手段，主要对冲击地压和岩爆的分形特征及微震活动的时空变化的分形特征进行了试验研究。

这一理论目前的主要研究成果是，在冲击地压和岩爆发生前，微震活动均匀地分布在高应力区，这时分形维数值较高，而临近冲击地压发生时，微震活动集聚，其分形维数值较低，也即分形维数值随岩石微断裂的增多而减小，最低的分形维数值则出现在临近冲击地压发生时。

2.6失稳理论

岩爆的失稳理论是近十几年提出的，其理论涉及范围较广，与上述理论不同之处是，从探求岩爆的机理出发，认为岩体在外界载荷的作用下，发生突然、猛烈破坏的原因是变形稳定性不够，即系统平衡状态失去稳定性。

失稳理论是将围岩看成一个力学平衡系统，即岩爆的发生是围岩组成的力学平衡系统从不稳定状态变成新的稳定状态的过程。

3、岩爆预测预报

岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆发生的准确时间、地点、烈度等信息。

岩爆预测工作的主要目的是:

（1）对岩体地质力学状态和岩爆危险性进行分析,指导合理的开采设计和布置,选择合理的采矿方法,确定优化的开采顺序和开挖步骤,避免围岩局部应力集中和应变能聚集,从宏观上消除岩爆形成的条件。

（2）为现场预报监测确定重点监测范围,指导区域性的岩爆防治工作。

在预测将有岩爆发生的施工地段提前采取措施,消除或减少岩爆的发生。

从当前研究的现状来看，目前岩爆预测预报的主要途径和方法是必须在扎实的工程地质调查、矿区地应力测量和矿岩力学特性，特别是矿岩破坏冲击性倾向特性试验的基础上，结合矿山开采条件，采用开采万方数据黄金动力学理论和数值模拟的方法，确定冲击危险区域，然后采用微震监测技术等多种方法进行现场监测，将综合分析和现场监测结果相结合，预测开采过程中发生岩爆危险性。

岩爆预测预报问题极为复杂，目前国内外还没有一整套成熟的理论和方法。

国内外岩爆预测预报方法大致可分为理论分析法和现场实测法。

3.1理论分析法

理论分析法是对地下工程中的岩体取样进行分析，利用已建立的各种岩爆判据或指标进行岩爆预测。

根据不同的岩爆机理理论，可得出不同的判据。

3.1.1应力判据

3.2.2岩性判据

岩爆的发生与否及其烈度大小与岩性有关，陆家佑教授提出的岩爆判据中，认为通常发生岩爆的岩石为致密的硬岩，影响岩爆的最主要岩性是单轴抗压强度

和单轴抗拉强度

，

，将产生岩爆。

3.2.3能量判据

能量判据即弹性能指数判据，波兰国家标准：

3.2.4临界深度判据

这一方法认为，岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区，但如果硐室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体效应，硐室也可能会发生岩爆。

侯发亮教授根据弹性力学推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生的最小埋深Hcr（岩爆临界深度）的计算公式。

3.2现场实测法

现场实测法是借助一些必要的仪器，对岩体直接进行监测和测试，来判别是否发生岩爆的可能，并指明岩爆发生的大致时间，以便及时撤退工作人员及设备，保证安全生产。

现场实测法主要包括各种直接接触式方法和地球物理方法。

3.2.1直接接触式方法

所谓直接接触式方法即通过向采掘工作面打钻测量反映应力状态的直接参数，并根据经验和已有的理论进行预测，具体有钻孔应力计、光弹应力计、光弹应变计、压力盒、收敛计、位移计、电阻率法、煤粉钻监测方法等等。

其主要优点是：

经过多年应用，积累了大量的宝贵经验和基本数据指标，各指标直接从前方岩体中取得，具有较高的可靠度。

主要缺点是：

预测的时间间隔太长，无法实现连续监测，因此，信息量少，偶然性大；预测过程要扰动和接触岩体，易诱发动力现象，安全性差；预测工作量大，预测费用高，受各种操作过程和作业人员因素影响大。

3.2.2地球物理方法

地球物理方法是通过对岩体突然破裂发出的前兆信息用精密仪器进行采集分析，具体有地震监测技术应用、声发射监测技术应用、电磁辐射监测技术应用、超声波探测技术应用以及其他物理化学探测技术应用等，这些方法的共同特点是将灾害发生前的特征信息通过传感器转化为数字化信息，自动采集或汇集，数字化传输，数据库存储并提供分析结果，从很大程度上克服了直接接触式监测预报方法的局限性，并具有可以在全国甚至全球范围内通过互联网实现前兆数据的分布式共享，建立多维岩爆灾害监测系统的发展前景。

目前应用地球物理方法监测预报岩爆灾害还正处在发展阶段，从近期看，其测试参数的依据不强，监测信息的可靠度不高，加之矿山要建立一套较为完善的地球物理监测预报系统，前期投入是很大的。

3.3岩爆深度预测

国内学者侯发亮认为，岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区，但如果洞室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体效应，洞室也可能会发生岩爆。

根据弹性力学求解，侯发亮推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生最小埋深Hcr（即岩爆临界深度）的计算公式：

4、岩爆控制

研究岩爆的最终目的就是终止和防止岩爆的发生，消除和降低岩爆可能会对井下工作人员和设备造成的危害。

防治岩爆的措施主要有两大类：

一是区域性防治措施，其原理是尽可能避免采矿工作区域大范围内的应力（或应变能）集中，阻止岩体处于极限平衡状态以下，从而达到控制岩爆的目的；二是局部解围措施。

4.1区域性防治措施

（1）合理布置矿山开拓系统，优化采场、硐室和巷道的结构参数和方位，确定最佳的回采顺序，避免大范围应力长期超过岩体强度。

（2）岩层预注水，降低岩体强度，增加岩石塑性变形比例，使岩体内聚能的应变能多次小规模释放，防止应变能集中释放。

（3）开采岩体保护层，先将大规模开采矿体的上方和下方岩层采掉，使矿体大部分落人卸压带内，降低矿体大面积开采的区域应力（采场应力）。

（4）充填采空区，降低采场弹性模量，降低平均能量释放率，减少岩爆发生次数和降低岩爆强度。

（5）及时放顶，用崩落法回采有岩爆危害矿床时，处于崩落范围内的岩体崩落经常会引发强烈的岩爆，因此，如果顶板不能及时自然崩落，需进行强制放顶，降低岩爆的危害性。

4.2局部解危防护措施

（1）在有岩爆迹象的工作面打大孔径的钻孔，增加工作面附近岩体的塑性，降低局部岩体承压强度，使工作面附近应力幅值进一步向原岩体内转移，达到防止岩爆发生的目的。

（2）采用松动爆破降低采场工作面岩体的强度，使应力增高区远离采场工作面，局部解除处于极限状态岩体发生岩爆的危险。

（3）对破坏较小的岩爆，选择相应的支护方式，预防巷道表面岩石剥落和破坏，支撑和固定已移位的小块岩石。

（4）架设防冲击挡板，格栅等保护井下工作人员和设备的安全。

5、结语和展望

矿山随着开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发展到质变，造成资源开采的极端困难，引发矿井重大安全事故危险性增加，特别是岩爆的发生严重威胁矿井的安全生产。

岩爆虽然是一种令人生畏、成因复杂的地质灾害,但是它的发生还是有一定的规律的,只要加强对岩爆的监测和预报,就可以将其危害降到最小。

未来的岩爆预测方法应能随着挖掘工程进度而及时合理地改变以适应地下工程挖掘而造成的不断变化的地下硐室应力分布。

但是限于目前的理论技术水平,对岩爆预测的成功率还不能令人满意。

鉴于此,我国的岩爆及预测研究应重点做好以下几方面的工作:

（1）深度和广度上加强岩爆机理研究,提出反映客观本质规律的预测判据是提高预测水平的关键。

（2）随着地下工程挖掘的深入,采场地下结构也不断发生变化。

因此有必要建立岩爆与开采参数之间的关系及岩爆与总的矿山地质结构间的关系,重视对新地压现象的监测和研究。

（3）加强理论分析的研究,提高数据理论分析水平,特别是提高对微震与地音活动数据理论分析水平。

（4）在现场预测中,加强新设备的研制。

研制能反映多因素影响的、不需在有岩爆危险地段施工的设备和方法。

参考文献

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