岩爆类型及其防治.pdf

第卷第期 年月现代地质 】日皿“九阅且,为坛皿侧班‘,刁〔 加,二岩爆类型及其防治谭以安中国国际工程咨询公司提要本文将在水电洞室、交通隧洞、矿山坑道岩体或矿体中发生的急剧猛烈释放弹性变形能的动力破坏现象统称为岩爆在讨论岩爆与其他动力现象之间的区别和岩爆含义荃础上,按照地应力作用方式,将其分为水平应力型、垂直应力型以及混合应力型种主要类型,并分别讨论了各类岩爆的具体特征以及防治措施关胜词岩爆地应力有效弹射能渐进破坏过程引言岩爆是矿山坑道、水 电洞室、交通隧洞等地下工程的一大地质灾害到目前 为止,在世界范 围内,巳有个国家和地区频繁发生它破坏矿山及工程建设、损坏设备、伤害人命,甚至使地面建筑物也惨遭破坏随着世界人口的迅速增长,人类对各种矿产资源、能源开发和交通运输等的需求增大,迫使人们向地球更深处取宝,向高山峡谷大河要 电,在丛山峻岭 中开路因此,地下洞室“长、大、深、群”的特点愈加 明显,故岩爆灾害必将日趋 突出,势必给人类环境带来不 良影响为预防岩爆,保护环境,区分鉴别岩爆类型则是一个具有理论意义和实际价值的重要研究课题岩爆含义在水利水 电隧洞、地下厂房,铁路及公路隧道,矿山井巷及采场 中的岩体或和矿体,经常发生一种急剧猛烈地释放弹性变形能的动力破坏现象,为叙述方便暂把这种现象用“, ,代替。

国 内外有关文献和著作已对“”与瓦斯突出或瓦斯与煤、岩突出,突水,大冒顶和老顶突然来压,矿震等现象的区别与联系做了比较清楚的论述它们的共性是都属于动力现象,其不 同点在于是以压力瓦斯突然释放、喷出为主,伴随的煤、岩 突出是第二位的是以岩体或矿体中高压水的突然喷出为主,伴随的煤、岩突出也是第二位的‘,’,则不同,它是大量岩、矿块体的喷射,而且其破坏速度较之、两种现象更加猛烈主要是岩层在自重作用下,岩体位能向动能转化所造成的突然冒落或滑落而“’,则是储存于岩体或矿体一围岩系统内部变形能突然释放的动力破坏过程则是 由于收稿日期口年月日一一矿 山开采活动引起的矿山岩层震动上述,,都可能引起矿震而‘,”与有时又互 为因果,亦即“”能引起不同程度的岩层震动,岩层震动又可能导致‘,,,的发生由上述可见‘,’,与,,,种动力现象的区别是很明显的然而目前世 界上对于“”本身还没有一个统一的、公认的定义,但各国对“”所做的描述却并无原则性区别,可大体概括为点‘,’,是发生在矿山坑道井巷或采场、地下工程隧道、厂房或空场岩、矿体内的一种动力现象产生“”的外部原因是人工开挖或开采改变了岩体的力学平衡状态,内在因素是岩体本身储存有大弹性应变能。

也就是说“’,是岩体力学平衡状态遭到破坏、突然释放弹性能的动力现象‘,’,是以岩矿体猛烈地抛射、震动、围岩急剧变形 为特征,以破坏工程建设、损坏生产设备、危及人身安全 为后果的动力现象年在伦敦召开的世界各国岩爆会议将金矿、铜矿、银矿、煤矿、钾盐矿等金属与非金属 矿 山以及交 通 隧道、水电隧洞、地 下电厂中所发生 的“”现象 统称 为“、”按字意应译为“岩爆”会后出版“”即“岩爆预测及控制”论文集在其他文献中,一些英语国家的学者或学术组织如国际岩石力学协会、美国材料试验协会,,、耶格、库克、南菲丹克豪斯、澳大利亚舍菲尔德、挪威以及加拿大等也把矿和工程中的“’,统称为“”而在苏联,无论是佩图霍夫,还是阿维尔申都称其为“而时邓”直译 为“矿山冲击”从所用名词来看虽然与英语国家不 同,但从其含义“是以煤和岩石单独或同时抛出为特征的一种破坏形式”可见,苏联学者所说的矿山冲击既包括 了单独煤的抛 出,即煤爆,又包括单独岩石的抛出,即岩爆狭义的,同时还包括煤、岩同时抛射的动力现象而西德的曼夫里特也将“煤岩体的冲击式应力释放—矿体的冲击式挤出或抛射—伴随有震动、巨响以及煤、岩爆炸或破坏”的现象称为‘,脚”,即“矿山冲击”。

可见,国外学者是将岩煤爆与矿山冲击等同起来的在我国,有些学者仅把发生在交通隧道、水利水 电洞室的“’’现象称作岩爆而把煤矿煤层发生的‘, ’,称为煤爆,把砂岩或灰岩中的“’,另称为岩爆也有人将金属矿、非金属 矿中发生的“”现象统统称作矿山冲击由上述可见,无论国外还是 国内的研究者,尽管在用词上有所不同,究其本质并无 原则区别,同样表达 了一种急速释放储存于岩、矿体中弹性变形能的动力破坏现象只不过是不同的研究者根据不 同地点、场所发生的“’,和按照不同行业的习惯说法,采用了不同的名词,其含义是一致的但是,必须指 出的是长期以来在我国不少人 习惯用“冲击地压”一词概括这种动力破坏现象,这 显然是错误的他们混淆了“压力”与“破坏”两个基本的概念因为“地压”仅能表明作用在岩体或矿体上的一种压力即使加上“冲击”二字,也仅意味着是作用于岩体的冲击荷载,并非表示岩体发生了动力破坏,即不能概括岩体释放储能的动力破坏过程,只不过是一个力的范畴,最多是一动荷载国内最早 出现“冲击地压”的文献是一一年煤炭工业出版社出版的苏联·叩阴年撰写的《介“助叫》一书的中译本《冲击地压尸,笔者建议不要再把‘,”现象误称为“冲击地压”,以还,,川一书“矿山冲击”之本意。

笔者在一大型水电站引水发电洞岩爆实际调查⑦和分析国内外有关工程、矿山等实例的基础上,研究了岩爆破坏的几何形态特征、一般力学特征及破坏断口电镜扫描分析、岩爆破坏的动力学特征、破坏分带及渐进破坏过程⑧、岩爆时空效应、岩体结构效应〔‘’以及岩爆岩石力学试验研究〔‘,,给岩爆一词赋予 了明确的含义〔幻即岩爆是具有大量弹性应变能储备的岩矿体,由于开挖洞室或坑道,使地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中,在围岩应力作用下,产生张一剪脆性破坏,并伴随声响和震动,围岩 由静态平衡向动态 失稳发展,以造成岩片块隔离母体、获得有效弹射能量、猛烈向临空方向抛弹、散射为特征,是经历“劈裂成板一剪断成块一块片弹射”渐进破坏全过程的动力现象岩爆主要类型岩爆分类是岩爆预测和 防治的基本依据之一但在其分类和烈度分级问题上,常混 为一谈其实这是两个根本不 同的概念岩爆分类主要根据弹性应变能的储存与释放特征或应力作 用方式进行岩爆力学成 因分类而岩爆烈度分级主要是指岩爆发生的强烈程度多根据岩爆破坏的一 系列特征、破坏过程和对工程、矿山、人员、机械的破坏程度等多因素进行岩爆烈度综合因素分级,’鉴于在岩爆分类和烈度分级概念上的混乱,并为了预测岩爆发生 的地区、地段,以及在洞室、巷道断面上发生的部位,以便正确地选择洞室位置和应采取的预 防措施。

因此,总结划分岩爆类型不仅具有理论意义,而且具有实际价值根据国内外实例,可将岩爆划分为水平应力型、垂直应力型和混合应力型种主要类型水平应力型 水平应力型岩爆主要发生在最大初始应力近于水平的高地应力区和地壳中构造应力集中的某些特殊部位在漫长的地质年代中,水平应力长期作用,岩体内储存了导致岩爆 的弹性应变能其主要特征是造成岩爆的水平应力即远大于垂直应力口,,一般情况下如氏,与水平线夹角多小于重力和地形对岩爆的影 响不 明显,因而无统一 的“突始深度”,即岩爆既可在地表以下深处发生,又可在浅部甚至在地表发生另外,当最大 主应力与地下洞室轴线夹角较大时,岩爆主要发生在洞顶和洞底而在两者近于平行时,若岩体非常完整,节理裂隙很少,岩爆主要发生在隧洞掌子面或房室端墙部位若岩体中的 主节理 组也与上 两者平行时,在洞室周边可 能产生强烈一极强级别的水 平 应 力型岩爆〔,〕苏联科拉半岛的拉斯武姆绰尔矿山、基洛夫矿 山等曾多次发生强烈岩爆,深度,,不等地应力测量结果,最大初始应力,近于水平,方向为北东东到东西 向,大小 为一,垂直应力岩爆发生在南北轴向的水平巷道的顶部和底 部在竖井中,则发生在与,方向垂直的南北两侧井壁上上述岩爆事实表明,科拉半岛封存着 古构造应力。

井巷 的开挖,使应力更进一步集中,造成了水平应力型岩爆谭以安,岩爆形成机理研究及综合评判西安地质学院,博士学位论文,,一一四川天池煤矿经岩体应力超声波检测,以北西一南东近水平方向主压应力为主,煤系地层中积累了大量的能量,采煤过程中,在白果树向斜的两翼有数十次岩煤爆发生,发生的部位也多在顶板和底板在某些特殊的构造部位,同样封存着水平应力长期作用积累的大量弹性应变能,一旦工程或巷道开挖,能量则猛烈释放,造成岩爆灾害、如西德鲁尔矿有次较强岩爆发生,其中次发生在褶皱翼部,而轴部相对较少这是因为背斜、向斜的轴部曾是拉、压应力集中的部位,岩层破碎,强度降低,构造变动时一部分应力释放,而在后期构造应力作用下,破碎岩体以塑性变形为主,不能再承受高应力,因而储存弹性应变能的能力大大下降相反翼部岩层在构造变动时破坏轻微,应力释放少,残余应力较高,在后期构造应力场作用下,因其完整,易于承受高压,产生弹性变形,储存了大量能量如我国贵昆铁路水城以西的梅花 山隧洞长,洞轴线与背斜轴垂直因轴部石灰岩岩石破碎,地下水丰富,隧洞开挖时出现塌方和涌水,而无岩爆发生,但是背斜冀部,灰岩岩石新鲜完整,地应力较高,在施工过程中有近长的地段产生了岩爆,威胁人身安全,影响了施工进度。

水平应力型岩爆实例很多,如印度、加拿大、美国、意大利等国的矿山及有关工程,都有此类岩爆发生,不一一列举垂直应力型垂直应力型岩爆主要发生在各地质时期直至现今,以重力作用为主,积累大量弹性应变能的地区最大主应力近于垂直,与铅垂线夹角一般小于,水平应力较小,与垂直应力,之比,即,一般小于随深度的增加而增大可以分为两种情况丫为岩石容重护丫,而是》丫后一情况是 由于地壳急剧上升,并经快速侵蚀夷平作用,使得原处于地 下深处的岩层埋深变浅,而由于地层的粘弹效应,原岩应力来不及释放而残余下来,造成异常高的垂直应力因此,不分析具体情况,仅以一林的大小作为岩爆应力条件来推断岩爆发生的可能性是不恰当的还须指出的是,垂直应力型岩爆释放的是重力 长期作用下积累的弹性应变能,是岩体的弹射破坏,而不是现代重力场作 用下的 冒顶或塌方因此,对于水平洞室、巷道来说,垂直应力型岩爆发生部位在洞壁两侧,而不同于发生在洞顶,在自重作用下仅作自由落体运动的塌落破坏由于这类岩爆主要受垂直应力控制,故通常在一定的深度条件下发生,产生岩爆的临界深度称为“突始深度”由于世界各地地质条件的差别,使突始深度不尽相同对于煤矿来说,因煤的强度小,性脆,突始深度较小金属矿 因其强度较高等原因,突始深度较大。

西德煤矿的突始深度为,金属矿为一美国煤矿的突始深度 为一在苏联煤矿 为,金属矿为,波兰煤矿平均突始深度为刁飞中国煤矿的突始深度多在另外,这类岩爆的强度随深度增加而增强,发生的次数增多如南非西部金矿,开采最大深度已达,强烈岩爆频频发生再如波兰煤矿的煤爆次数随深度增加明显增 多,见下表开开采深度煤煤爆次数万吨吨一一混合应力型 混合应力型岩爆主要是水平应力、垂直应力、剥蚀残余应力以及边坡应力联合作 用的结果由于上述应力的作用方式、大小及其组合关系比较复杂,所以岩爆的破坏形式多种多样同时,不仅岩爆强烈程度悬殊,而且其产生的深度也相差较大,故不具统一的突始深度根据已发生的岩爆实例,这类岩爆可大体归纳为个亚类混合型主要发生在产生前述两种岩爆地区之间的过渡区,即水平应力与垂直应力作用分不清主次的地区最大初始应力与水平面夹角一般为一在洞室或巷道断面上岩爆的部位比较固定,发生的深度较大,地形影响不明显如贵州、广西两省交界处的天生桥水电站引水隧洞中所发生的岩爆即为混合型该电站有条圆形隧洞,洞径 为,单条长度为岩石为厚层状灰岩、白云岩及角砾状灰岩,单轴抗压强度多在恤左右现场地应力测量最大主应力为一,方 向为一,倾角 朽一隧洞采用大型凿进机全断开挖开挖过 程中,弱到中等强度岩爆,甚至强烈岩爆时有发生。

尽管隧洞埋深变化在,而且岩爆有强有弱,但岩爆在隧洞断面上的位置基本不变,对称地发生在隧洞的左上方和右下方,两爆裂面 中连线与水平线夹角一般在士,与最大主应力,近于垂直混合型这类岩爆常发生在以水平应力为主的深山峡谷。