巖爆的危害及在線監(jiān)測(cè)

胡學(xué)敏，陽(yáng) 俊

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

經(jīng)過(guò)大量研究數(shù)據(jù)表明，巖爆災(zāi)害的發(fā)生地一般都是高地應(yīng)力區(qū)域，并且多數(shù)出現(xiàn)于較為干燥完整的硬脆性的巖體中。同時(shí)伴隨著挖掘深度的增加，巖爆災(zāi)害的概率、危害程度也會(huì)隨之增加，對(duì)各大工程的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。輕微的巖爆會(huì)導(dǎo)致巖石成片狀脫落，并不會(huì)出現(xiàn)彈射情況；重大巖爆發(fā)生時(shí)會(huì)有4.6 級(jí)地震時(shí)的感覺(jué)，強(qiáng)烈度高達(dá)8 度，并且還會(huì)對(duì)周圍地面上的建筑物帶來(lái)?yè)p害，聲響巨大。

1 巖爆簡(jiǎn)介

巖爆是礦業(yè)、隧道等工程中圍巖體突然遭到破壞所致，在該過(guò)程中，巖體中應(yīng)變能會(huì)在瞬間得到釋放，從而導(dǎo)致巖石產(chǎn)生破裂最后失穩(wěn)。

巖爆在地下挖掘深度較深的工程中出現(xiàn)頻數(shù)較多，其屬于一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象，如果巖體中堆積聚集的高彈性應(yīng)變能＞巖石破壞所耗費(fèi)的能量，那么巖體結(jié)構(gòu)的平衡性能會(huì)消失，剩余能量則會(huì)致使巖石出現(xiàn)爆裂，巖石碎片會(huì)不斷脫落、崩出。

2 巖爆的危害以及發(fā)生條件

2.1 巖爆的危害

一般情況下，巖爆的危害主要發(fā)生在工程的施工階段，這對(duì)相關(guān)施工人員的生命安全與設(shè)備安全有著嚴(yán)重的威脅。巖爆目前是各類巖石地下工程以及巖石力學(xué)領(lǐng)域中的世紀(jì)性難題[1]。以上個(gè)世紀(jì)九十年代末期建設(shè)的拉平隧洞為例，該隧洞工程位于我國(guó)廣西壯族自治區(qū)東蘭縣，共出現(xiàn)了三次巖爆，分別是：①在挖掘隧洞時(shí)，扒碴機(jī)正在施工，此時(shí)聽(tīng)到洞內(nèi)左側(cè)發(fā)生了與冰層開裂的聲響，施工人員立即離開操作臺(tái)，還未走遠(yuǎn)，洞左側(cè)墻壁崩出體積25m3的巖石，直接極愛(ài)那個(gè)扒碴機(jī)掀翻、砸壞；②在施工期間，工作人員正在操控鉆孔臺(tái)車進(jìn)行鉆眼時(shí)，拱頂突然發(fā)出清脆的巖爆聲響，并垂直落下體積大約在5m3左右的石塊，直接將鉆孔臺(tái)車臂砸至變形。之后鉆孔臺(tái)車還未離開施工現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員、監(jiān)理工程師以及眾施工人員正在對(duì)圍巖情況進(jìn)行詳細(xì)查看，拱頂又發(fā)出噼里啪啦響聲，此響聲大概持續(xù)了18s 左右，并掉落體積2m3的石塊，不僅砸在了鉆孔臺(tái)車臂上，還砸中了施鉆人員；③施工人員進(jìn)到洞穴內(nèi)對(duì)巖爆情況進(jìn)行觀察時(shí)，掌子面方向突然發(fā)出嘭的響聲，然后掌子面上部爆出數(shù)塊1.5kg左右重的塊石，爆出距離均在5m 左右。由此可見(jiàn)，對(duì)巖爆災(zāi)害實(shí)施科學(xué)有效的措施進(jìn)行預(yù)防或者治理刻不容緩，借此來(lái)降低巖爆的發(fā)生概率、減輕巖爆的危害性。

2.2 巖爆的發(fā)生條件

巖爆災(zāi)害是人類無(wú)法繼續(xù)向地球深部進(jìn)行開拓的主要原因，同時(shí)也是工程領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域所面臨的重大難題。雖然經(jīng)過(guò)眾多專家、學(xué)者對(duì)該災(zāi)害上百年的研究探索，最終在巖爆機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及巖爆防治等多個(gè)方面獲得了初步成果，但是由于巖爆屬于十分復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，從發(fā)生到后來(lái)的發(fā)展會(huì)被各種內(nèi)在或外在因素影響，比如：地質(zhì)條件、開挖卸荷方式以及隧道斷面形狀等，所以，工程狀況不同，形成巖爆的原因也不同。最終能肯定的是，巖爆發(fā)生的原因與地應(yīng)力和巖性有直接關(guān)系，這就跟常規(guī)壓力試驗(yàn)機(jī)器中試件受到破壞時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程相同。從發(fā)生巖爆的區(qū)域取出一塊巖芯，且該巖芯的類型為砂巖，那么將其原有地應(yīng)力解除之后，將其放置常規(guī)性壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，其就能夠?qū)l(fā)生巖爆時(shí)的情景重新呈現(xiàn)出來(lái)[2]。這主要是由于巖石有著強(qiáng)大的記憶功能，細(xì)化來(lái)說(shuō)，就是該砂巖在首次加載時(shí)調(diào)整至3 兆帕，那么會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，持續(xù)加載的同時(shí)，其AE（聲發(fā)頻度）也會(huì)不斷提升，若是對(duì)其卸載后，再次對(duì)其進(jìn)行加載并調(diào)整至3 兆帕，此時(shí)巖石聲發(fā)射信號(hào)就會(huì)再次出現(xiàn)。如果加載＞20 兆帕?xí)r，其AE 數(shù)值會(huì)上升至最高，即試件破裂程度也會(huì)到達(dá)極限，此時(shí)有勢(shì)能的積累以及擴(kuò)容的積累會(huì)共同出現(xiàn)。當(dāng)高勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能時(shí)，擴(kuò)容速率會(huì)超過(guò)勢(shì)能的累積速率，從而出現(xiàn)迸發(fā)爆裂，某些試件的巖塊也會(huì)被噴出。所以，總結(jié)之后就是地下工程出現(xiàn)巖爆的條件有：有巖爆所需的能源；有積累、擴(kuò)容高勢(shì)能的環(huán)境；有高勢(shì)能變成動(dòng)能的媒介。

不僅如此，當(dāng)出現(xiàn)以下集中情況時(shí)，也會(huì)發(fā)生巖爆災(zāi)害。即：①山體中地應(yīng)力偏高，且?guī)r體中保留的應(yīng)變能較大，大到已經(jīng)超出了硬巖石本身的強(qiáng)度時(shí)；②圍巖具備較強(qiáng)硬度、較高脆性以及較高彈性，且新鮮度、完整度高，無(wú)縫隙或者只有隱性裂縫，可以存儲(chǔ)能量，變形性質(zhì)是脆性破壞類型，在解除應(yīng)力之后，回彈變形極小；③埋深偏大，超過(guò)200m，距離溝谷切割的卸荷裂隙帶較遠(yuǎn)；④地下水較為缺乏，巖體較為干燥；⑤地下工程開挖過(guò)程中，其斷面形狀不合理，洞室群以及岔洞極多，或者是斷面出現(xiàn)變化從而導(dǎo)致局部應(yīng)力聚集的區(qū)域。

3 巖爆現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

在開采礦山的過(guò)程中，應(yīng)力會(huì)不斷集中并致使硐室中圍巖應(yīng)力出現(xiàn)反復(fù)變化與調(diào)節(jié)，而若是巖體所遭受到的應(yīng)力＞自身所具備的強(qiáng)硬度時(shí)，巖爆災(zāi)害就會(huì)發(fā)生。為了能夠?qū)r爆災(zāi)害進(jìn)行合理預(yù)測(cè)預(yù)防，相關(guān)工作人員需要對(duì)硐室圍巖內(nèi)部應(yīng)力的大小變化情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)與掌握，用此數(shù)據(jù)判斷巖體有無(wú)受到損傷和受損級(jí)別。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)巖體內(nèi)部應(yīng)力、變形程度和受損特征進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)記錄，從而得出該區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)巖爆災(zāi)害的幾率，并對(duì)其實(shí)施科學(xué)合理的措施進(jìn)行預(yù)防或控制，為礦山生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性提供有力保障。

近些年，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，對(duì)巖爆災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方式有三種類型：①區(qū)域監(jiān)測(cè)。包含微震監(jiān)測(cè)、地音（聲發(fā)射）監(jiān)測(cè)以及電磁輻射法等。②位點(diǎn)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用較多的有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)、頂板離層監(jiān)測(cè)以及鉆屑法等；③綜合監(jiān)測(cè)。其主要是將多個(gè)監(jiān)測(cè)方式集為一體，其中多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與微震監(jiān)測(cè)占據(jù)主要地位，應(yīng)力監(jiān)測(cè)與位移監(jiān)測(cè)對(duì)其提供輔助[3]。以聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀為例，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的范圍控制在5m～8m 之間為最佳，兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)的距離不得超過(guò)16m，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)單次至少為5 分鐘，并對(duì)每min 聲響的頻率進(jìn)行詳細(xì)記錄，以五個(gè)頻變值中Namx（數(shù)值最大的）當(dāng)做特征值，通常情況下，參考數(shù)值如下所示：

Namx 不低于20 次/min，可斷定巖本已經(jīng)受到了較為嚴(yán)重的破壞，此時(shí)需要每天監(jiān)測(cè)一次或一次往上；

當(dāng)Namx 處于每10 次/min 或以上，但是低于20 次/min 的范圍內(nèi)，那么可判斷出巖體受到了破壞，每天需要監(jiān)測(cè)一次；

Namx 在5 次/min 或 以 上，但 是 低 于10 次/min 的 范圍內(nèi)，那么巖體則是剛剛受到破壞，可每間隔一天監(jiān)測(cè)一次；

Namx 低于5 次/min 時(shí)，可每間隔兩天監(jiān)測(cè)一次。

此外，還需要對(duì)地下的惡劣環(huán)境進(jìn)行充分考慮，在選擇地音儀時(shí)，應(yīng)當(dāng)配備完好的放大器與高效益放大器，并多加查看輸出阻抗和探頭輸出阻抗是否匹配。如果是定性監(jiān)測(cè)，應(yīng)當(dāng)配置監(jiān)聽(tīng)需要用到的耳機(jī)與數(shù)字記錄器；如果是定量監(jiān)測(cè)則應(yīng)當(dāng)配置高速記錄與磁帶記錄器。

但是，區(qū)域監(jiān)測(cè)中的方式對(duì)于范圍面積較大的礦震現(xiàn)象可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然而卻無(wú)法做到對(duì)震源進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并且反應(yīng)震動(dòng)能量高低時(shí)形式太過(guò)單一，極易受到各種因素的影響，同時(shí)也無(wú)法反應(yīng)出礦震對(duì)于巷道所產(chǎn)生的影響。所以目前各類工程在對(duì)巖爆進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)更多的應(yīng)用綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)。根據(jù)巖爆的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，尤其是金屬硬巖石山，都將傳統(tǒng)較為單一的監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)。比如我國(guó)紅透山礦，應(yīng)用的是從國(guó)外引進(jìn)的6 通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；冬瓜山銅礦應(yīng)用的則是將應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)以及微震監(jiān)測(cè)集為一體的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)；湖南柿竹園礦應(yīng)用的是多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)結(jié)合的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)。這種將區(qū)域監(jiān)測(cè)與位點(diǎn)監(jiān)測(cè)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方法，不但能夠?qū)我槐O(jiān)測(cè)方式應(yīng)用中存在的問(wèn)題予以解決，還能夠相輔相成，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而使得預(yù)警預(yù)報(bào)更加及時(shí)精準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

早在1987 年，聯(lián)合國(guó)就把巖爆定位為自然災(zāi)害的一種，這足以證明巖爆的危害性和破壞性，對(duì)此，相關(guān)部門及人員需要不斷對(duì)巖爆的出現(xiàn)機(jī)制、產(chǎn)生條件以及主要原因進(jìn)行探索研究，同時(shí)各大地下工程在施工過(guò)程中也要靈活運(yùn)用各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)其應(yīng)力、受損程度予以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，有助于后期對(duì)巖爆的預(yù)防和治理工作，也能夠?yàn)樯a(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性提供一定保障。