時(shí)滯型巖爆的研究與預(yù)防綜述

汪馳宇，劉哲汛，彭有，李皓然，劉剛，王德超，賈蓬

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

巖爆是在開挖或其他外界擾動(dòng)下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致圍巖爆裂、彈射的動(dòng)力現(xiàn)象。巖爆按照發(fā)生的時(shí)間分類可分為即時(shí)型巖爆、間歇型巖爆和時(shí)滯型巖爆。時(shí)滯型巖爆是指開挖卸荷后應(yīng)力調(diào)整平衡后，在外界擾動(dòng)作用下而發(fā)生的巖爆[1]。時(shí)滯型巖爆由于發(fā)生在圍巖開挖后的數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)不等，并隨著巖體開采程度的加深而發(fā)生頻繁，具有破壞性強(qiáng)、危害性大、發(fā)生征兆不明顯等特點(diǎn)。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)時(shí)滯型巖爆的巖爆判據(jù)、分級(jí)方法、孕育過程、巖樣實(shí)驗(yàn)、巖爆防治做了大量的研究。針對(duì)目前滯后巖爆的研究，本文分別從時(shí)滯型巖爆的蠕變?cè)囼?yàn)、巖石變形時(shí)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)防研究3個(gè)方面總結(jié)介紹。

1 巖石的蠕變?cè)囼?yàn)

巖石蠕變是指在常值應(yīng)力持續(xù)作用下,巖石變形隨時(shí)間而持續(xù)增加的性質(zhì)[2]。在深部高應(yīng)力條件下，花崗巖、灰長(zhǎng)巖等硬巖亦具有明顯的流變特征[3-4]。由此可知蠕變?cè)囼?yàn)是了解巖爆發(fā)生機(jī)理的的一種重要方法。Adams于1901年開始進(jìn)行大理巖的抗壓蠕變?cè)囼?yàn)[5]。Giggs[6]首次使用梁式試件對(duì)石灰?guī)r、頁巖等巖石在室溫條件下進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)研究，認(rèn)為當(dāng)巖石施加載荷達(dá)到巖石自身極限荷載的 12.5%～80%后就會(huì)產(chǎn)生蠕變。此后巖石的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)就成為研究巖石變形特征和規(guī)律的有效手段，有關(guān)巖石蠕變方面的研究和成果日趨完善。李永盛等[7]對(duì)4種不同強(qiáng)度的巖石材料采用伺服剛性機(jī)進(jìn)行了單軸壓縮條件下的蠕變和松弛試驗(yàn)，認(rèn)為在一定水平常應(yīng)力作用下，巖石蠕變都會(huì)經(jīng)歷速率減小、速率穩(wěn)定和速率增大3個(gè)階段；且?guī)r石的初始損傷和裂隙、介質(zhì)不均勻性會(huì)造成巖石松弛曲線變化規(guī)律的不同。楊圣奇等[8-9]對(duì)堅(jiān)硬大理巖和綠片巖進(jìn)行了三軸壓縮流變?cè)囼?yàn)，分析了圍壓對(duì)硬巖流變變形的影響，并得出巖石流變破壞實(shí)質(zhì)是由于材料結(jié)構(gòu)的缺陷及非均質(zhì)性和微裂隙長(zhǎng)期損傷累積破壞綜合作用的結(jié)果。劉東燕等[10]使用液壓伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，認(rèn)為巖石的蠕變破壞是其損傷隨著時(shí)間的逐漸積累，并伴有細(xì)觀和宏觀的裂紋擴(kuò)展。楊艷霜等[11]對(duì)錦屏二級(jí)水電站的大理巖進(jìn)行單軸壓縮破壞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)巖樣破壞的裂紋都沿軸向擴(kuò)展，且當(dāng)巖樣的環(huán)向應(yīng)變開始接近并超過軸向應(yīng)變時(shí)，發(fā)生破壞的幾率將大大提高。王軍保等[12]對(duì)鹽巖進(jìn)行了3種不同加載路徑下的蠕變?cè)囼?yàn)，得出了圍壓和不同加載路徑對(duì)巖石蠕變特性的影響。

從上述研究中可以看出，巖石的蠕變特性與巖石的初始損傷、內(nèi)部的裂隙、巖石的圍壓、巖石的巖性，以及加卸載的不同路徑密切相關(guān)。為了更好描述巖石蠕變過程，許多專家基于各種影響因素建立了描述巖石蠕變特性的巖石損傷模型。劉光延等[13]利用多軸非線性流變模型，將礫巖在多軸應(yīng)力條件下的流變?cè)囼?yàn)成果應(yīng)用于新疆某拱壩的實(shí)際工程之中，提高了仿真數(shù)值的計(jì)算準(zhǔn)確性。冒海軍等[14]對(duì)板巖進(jìn)行了不同圍壓與軸壓下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，塑性模型的擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在衰減蠕變與穩(wěn)定蠕變?cè)囼?yàn)中板巖因軸壓的不同產(chǎn)生了衰減蠕變與穩(wěn)態(tài)蠕變兩種過程，與六元件的廣義彈黏變過程基本吻合。趙延林等[15]針對(duì)具有較強(qiáng)流變性的節(jié)理軟巖，基于裂隙閉合體和非線性牛頓體建立了一種反映節(jié)理軟巖黏彈塑性特征的復(fù)合元件流變模型，通過對(duì)比金川Ⅲ礦區(qū)軟弱節(jié)理礦巖的試驗(yàn)曲線，驗(yàn)證了該流變模型的合理性。朱杰兵等[16]對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞綠砂巖采用恒軸壓、逐級(jí)卸圍壓的應(yīng)力路徑開展室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)，建立起了巖石損傷演化方程及變參數(shù)非線性 Burgers 模型，驗(yàn)證了此流變本構(gòu)模型較好反映了錦屏綠砂巖卸荷條件下的衰減蠕變階段和穩(wěn)定流變特性。蘇國韶等[17]使用動(dòng)靜加載試驗(yàn)系統(tǒng)模擬不同加載條件下巖石的斷裂特征，并通過三軸試驗(yàn)提出：引發(fā)劈裂的機(jī)制與引發(fā)巖爆的機(jī)制密切相關(guān)，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于深部地下工程研究中。辛亞軍等[18]對(duì)紅砂巖樣進(jìn)行了高應(yīng)力區(qū)峰后單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果探討了紅砂巖蠕變破壞機(jī)制，并引入了模型，驗(yàn)證了該模型能較好反映峰后紅砂巖高應(yīng)力區(qū)的蠕變特性。

由于巖爆發(fā)生的時(shí)間、空間、強(qiáng)度等分布存在較明顯的規(guī)律性，普遍存在一個(gè)孕育過程[19]。上述通過室內(nèi)單軸、三軸試驗(yàn)建立起描述巖石蠕變的理論模型，為研究巖石的工程特性和長(zhǎng)期流變特性的機(jī)制與規(guī)律提供了方便，對(duì)于時(shí)滯型巖爆的研究有著重大的工程意義。為了更加有效監(jiān)測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)中巖石試樣的變化，需要采用有效的監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)巖石的內(nèi)部情況。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)則是一種有效的監(jiān)測(cè)手段。

2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)力應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。巖石蠕變過程中會(huì)發(fā)出大量聲信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析可推斷巖樣內(nèi)部的狀態(tài)變化，進(jìn)而為研究巖石特征提供重要依據(jù)。陳颙[20]于20世紀(jì)70年代開始研究三軸試驗(yàn)下巖石的聲發(fā)射，認(rèn)為巖石聲發(fā)射速率不但與應(yīng)力狀態(tài)變化有關(guān)，還因應(yīng)力途徑不同而異。陳宗基[21]利用蠕變擴(kuò)容理論和簡(jiǎn)化的脆性破壞理論對(duì)南盤江天生橋進(jìn)行分析驗(yàn)證，得出聲發(fā)射的頻度和大小隨時(shí)間而增加是地震事件發(fā)生的前兆。有外國學(xué)者[22]指出，巖石試樣在加載開始時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生大量聲發(fā)射事件，而后聲發(fā)射事件逐漸減少到一個(gè)相對(duì)較低且恒定的水平，隨后某個(gè)應(yīng)力水平下聲發(fā)射事件數(shù)迅速增加直到巖石試件失效。在國內(nèi)也有相應(yīng)學(xué)者得出了有關(guān)聲發(fā)射研究成果。李庶林等[23]對(duì)單軸受壓巖石破壞全過程進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，在彈性階段的初期和后期，巖石聲發(fā)射事件數(shù)隨著應(yīng)力水平增加而增加，而在接近峰值強(qiáng)度時(shí)聲發(fā)射事件數(shù)卻明顯的下降，出現(xiàn)相對(duì)平靜階段，在峰值強(qiáng)度后的聲發(fā)射現(xiàn)象仍然明顯。趙興東等[24]應(yīng)用聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射活動(dòng)在初始裂紋形成之前不明顯，當(dāng)出現(xiàn)初始裂紋后，聲發(fā)射事件就明顯增多。在初始裂紋形成之后巖石會(huì)蓄積一定的加載能量，在能量蓄積到一定程度之后才會(huì)再進(jìn)行擴(kuò)展表現(xiàn)出“平靜區(qū)”。劉東燕等[25]對(duì)深部灰?guī)r的單軸蠕變壓縮試驗(yàn)中蠕變與聲發(fā)射之間的關(guān)系進(jìn)行分析，認(rèn)為聲發(fā)射特征能很好地表征巖石整個(gè)蠕變變形過程中巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)巖爆災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要的指導(dǎo)意義。許江、任松等[26-27]在探究不同巖石在周期性載荷作用下的聲發(fā)射規(guī)律時(shí)都發(fā)現(xiàn)，巖石聲發(fā)射在不同應(yīng)力幅度和加載速率下有著不同的發(fā)展模式，預(yù)示著不同的巖石破壞速率。

上述學(xué)者的試驗(yàn)都表明巖石的聲發(fā)射能夠很好反映出巖石內(nèi)部微觀裂隙的擴(kuò)展和能量積蓄情況，這為了解巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化以及判斷巖石破壞的時(shí)機(jī)提供了參考。劉亞運(yùn)等[28]對(duì)花崗巖進(jìn)行聲發(fā)射特征研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，單軸和三軸試驗(yàn)中達(dá)到巖石峰值應(yīng)力強(qiáng)度的90%時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)會(huì)突然增大，這是花崗巖破壞的前兆特征。周煜等[29]對(duì)二長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行三軸循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，指出巖石聲發(fā)射活動(dòng)與巖石變形破壞過程以及能量釋放特征規(guī)律密切相關(guān)；巖石進(jìn)入塑性變形的中后期，裂紋大量擴(kuò)展，彈性應(yīng)變能大量釋放，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)烈；當(dāng)達(dá)到塑性中后期的標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，巖石試件即將產(chǎn)生主破裂。杜帥等[30]利用聲發(fā)射研究大理巖破壞時(shí)的內(nèi)在規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大理巖破壞時(shí)聲發(fā)射信號(hào)主頻主要集中在2個(gè)頻率帶中，此為破壞時(shí)聲發(fā)射的本征固有頻率，且頻率不隨加載應(yīng)力的變化而變化。侯公羽等[31]對(duì)水泥砂漿厚壁圓筒圍巖試樣使用自研的開挖卸荷試驗(yàn)系統(tǒng)，探究了巷道圍巖加載卸載等4個(gè)階段的變形規(guī)律，表明均與聲發(fā)射振鈴累計(jì)曲線有著良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。王春來等[32]基于信息熵理論分析了花崗巖在三軸條件下的巖爆模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在巖爆發(fā)生前，時(shí)間和空間熵值都出現(xiàn)了急劇下降的現(xiàn)象，該下降點(diǎn)可作為巖爆預(yù)警點(diǎn)。

聲發(fā)射隨著巖爆的孕育過程有著明顯的強(qiáng)弱變化規(guī)律，加大對(duì)巖石巖爆聲學(xué)特性的研究，會(huì)是今后巖爆研究的一個(gè)重要方向。巖石聲發(fā)射的變化特征是研究巖爆滯后性的重要工具，也為巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)防提供了一種有效的手段。為了更好地監(jiān)測(cè)預(yù)防巖爆的發(fā)生，減小工程實(shí)際中的人員和財(cái)產(chǎn)損失，許多學(xué)者對(duì)更多更有效的監(jiān)測(cè)手段展開了研究。

3 巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)防

巖爆是當(dāng)代深部采礦地質(zhì)力學(xué)中的“癌癥”[33]。自 1738年在英國南史塔夫煤田萊比錫煤礦坑道首次記錄巖爆以來，這一地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治就引起了強(qiáng)烈關(guān)注。我國的許多學(xué)者進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，隨著我國“一帶一路”等政策的推行和“向地球深部進(jìn)軍”口號(hào)的提出，地下工程將向更深條件、更復(fù)雜地域發(fā)展，而越來越頻繁的巖爆造成了重大人員傷亡和設(shè)備損失。為此提前監(jiān)測(cè)巖體，預(yù)防巖爆的發(fā)生顯得十分必要。巖爆是否產(chǎn)生除了與巖石本身的性質(zhì)有關(guān)，還受巖石埋深、地質(zhì)環(huán)境以及開挖尺寸等因素的影響[34]。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)因開挖卸荷引起的圍巖動(dòng)力破裂現(xiàn)象，其發(fā)生的主要機(jī)制已大致清晰，由此并結(jié)合工程實(shí)際可以推斷，巖爆發(fā)生前一定是有前兆的，這給巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供了可能[35]?，F(xiàn)有的巖石工程設(shè)計(jì)原理和支護(hù)理論基本滿足淺部巖石工程的實(shí)踐需要，但是對(duì)于深部巖石工程，尚存在很大的不適用性[36]。通過在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)巖爆過程，可以對(duì)巖爆發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行研究，分析影響巖爆的因素，為進(jìn)一步進(jìn)行巖爆的預(yù)測(cè)與防治提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)[37]。

有學(xué)者基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出并驗(yàn)證了多種巖爆預(yù)防的模型，為巖爆的預(yù)測(cè)和防治提供了依據(jù)。梁志勇[38]基于巖石單軸抗壓破壞特征和強(qiáng)度概率的分布規(guī)律，提出了一種有效預(yù)測(cè)不同應(yīng)力條件下各級(jí)巖爆發(fā)生概率的模型。左宇軍[39]建立了一種洞室層裂屈曲巖爆的突變模型，得出了洞室層裂屈曲巖爆在準(zhǔn)靜態(tài)破壞條件下的演化規(guī)律，較好反映了巖爆孕育的復(fù)雜演化過程。楊健等[40]在綜合分析巖爆發(fā)生的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)歸納了產(chǎn)生巖爆的影響因素，提出了一種定性預(yù)測(cè)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的巖爆綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法。蘇國韶等[41]利用真三軸巖爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在室內(nèi)再現(xiàn)了巖爆動(dòng)力破壞過程，提出了一種基于聲音信號(hào)的巖爆烈度評(píng)價(jià)指標(biāo)。還有學(xué)者[42]為了克服傳統(tǒng)巖爆預(yù)測(cè)模型大多為定性的缺陷,以定量評(píng)價(jià)巖爆發(fā)生的劇烈程度，提出了一種新的隧道巖爆概率預(yù)測(cè)的模型，并以錦屏二級(jí)水電站巖爆為案例，驗(yàn)證了所提方法的有效性。賈雪娜等[43]利用深部巖爆過程模擬系統(tǒng)進(jìn)行了花崗巖的巖爆聲發(fā)射模擬試驗(yàn)，找出了花崗巖巖爆階段的聲發(fā)射頻譜的連續(xù)型波形和低頻高幅值的特征。王春來等[32]基于聲發(fā)射模擬試驗(yàn)和信息熵理論，找出了巖爆發(fā)生的預(yù)警點(diǎn)。

現(xiàn)有的巖爆預(yù)警方法大致可以歸為4大類，這些巖爆預(yù)測(cè)方法都有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍[44]。其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巖爆風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用效果較好，且能24 h不間斷實(shí)時(shí)獲取巖爆發(fā)生前的微震信息，來實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警巖爆。許多學(xué)者依托于各種工程建設(shè)實(shí)際情況，提出了諸多有效的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，為工程建設(shè)安全提供保障。唐禮忠等[45]采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冬瓜山銅礦巖爆的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該礦開采過程的巖體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。劉建輝等[46]采用電磁輻射法對(duì)平煤八礦己組西大巷的巖爆進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用，并驗(yàn)證了電磁輻法預(yù)測(cè)巖爆的可行性。和江濤等[47]在雙江口發(fā)電系統(tǒng)工程中布設(shè)了多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)與施工的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制，保障了施工的正常進(jìn)行。在引漢濟(jì)渭工程隧洞施工過程中，諸多學(xué)者[48-50]采用微震監(jiān)測(cè)、電磁輻射監(jiān)測(cè)、聲點(diǎn)綜合預(yù)警機(jī)制等手段，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，基于能量指標(biāo)等的巖爆判別方法，提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低了巖爆產(chǎn)生的概率，保障了施工人員和設(shè)備的安全。

由上述研究可見：巖爆的預(yù)測(cè)手段越來越多樣化，從傳統(tǒng)的巖爆模型預(yù)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、電磁輻射法、信息熵理論到與數(shù)學(xué)交叉的模糊評(píng)價(jià)法，并且隨著大數(shù)據(jù)、5G和人工智能等新興技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巖爆預(yù)警系統(tǒng)前景廣闊。

4 結(jié)語

（1）巖爆的發(fā)生存在一個(gè)普遍的發(fā)育過程，其與巖石的初始損傷、內(nèi)部的裂隙、巖石的圍壓、巖石的巖性等影響因素密切相關(guān)，現(xiàn)有描述巖爆孕育過程的模型還有著諸多不足。未來更加準(zhǔn)確巖爆孕育過程的模型建立還需要考慮更多影響因素。

（2）聲發(fā)射監(jiān)測(cè)能較好預(yù)見巖石內(nèi)部細(xì)微的變化情況，巖石發(fā)生破壞前聲發(fā)射信號(hào)表現(xiàn)著不同發(fā)展模式，其聲學(xué)信號(hào)變化能為巖爆的研究與預(yù)防提供一種重要的監(jiān)測(cè)手段，將會(huì)被更加廣泛的運(yùn)用。

（3）巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)防目前已有很大進(jìn)展，保障了越來越多重大工程項(xiàng)目的順利建設(shè)，但僅僅依靠傳統(tǒng)技術(shù)手段已不能很好滿足監(jiān)測(cè)預(yù)防的需求。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有越來越多結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的監(jiān)測(cè)手段，未來發(fā)展應(yīng)用空間廣闊。