黃鳳輝

（金誠信礦業(yè)管理股份有限公司 北京 100000）

1 引言

近年來，隨著開采深度和采掘強度的日益增大，金屬礦山的地質(zhì)災(zāi)害之一巖爆的頻率、烈度越來越加劇。巖爆災(zāi)害的發(fā)生具有時間和空間的不確定性，故巖爆危害強烈，防治難度大，是深部開采（挖）對人類的又一挑戰(zhàn)。巖爆作為采礦工程的一大危害，直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進度，如何有效的減輕巖爆引起的災(zāi)害，已成為世界性的采礦工程難題之一，并受到世界各國相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2 礦山巖爆現(xiàn)狀

目前國內(nèi)礦山開采深度部分突破1000m，巖爆程度較低，隨著開采向深度挺進，巖爆現(xiàn)象將會越來越明顯，危害越來越嚴(yán)重。筆者對國內(nèi)金屬礦山巖爆現(xiàn)象的調(diào)查結(jié)果，見表1。

表1 國內(nèi)部分金屬礦山巖爆現(xiàn)象調(diào)查結(jié)果表

目前金屬礦山巖爆的特點有：

⑴上伏巖層厚度約1000m，或存在構(gòu)造應(yīng)力（最大主應(yīng)力達到20～30MPa）；

⑵巖石致密、質(zhì)硬、性脆；

⑶巖層結(jié)構(gòu)完整，含水量極少；

⑷目前巖爆以弱巖爆為主。

3 巖爆機理概述

3.1 巖爆定義

金屬礦山巖爆是指在高地應(yīng)力區(qū)域中巷道、硐室、采礦空區(qū)開挖形成后，由于空區(qū)的應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，從而使儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，產(chǎn)生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。巖爆是一種力學(xué)過程十分復(fù)雜的動力現(xiàn)象，其生成環(huán)境、發(fā)生地點、宏觀和微觀顯現(xiàn)形態(tài)多種多樣，顯現(xiàn)程度和造成的破壞程度相差很大。此類巖爆還發(fā)生在埋深較大的隧道、排水洞等地下工程中。

煤礦沖擊地壓也符合巖爆定義，但沖擊地壓有自身的特點，本文不詳述。地震是發(fā)生在地殼中的巖爆，不過現(xiàn)代地震學(xué)并未涉及地震巖爆事件的形成-發(fā)展-結(jié)束孕育的整個過程。也許是因為震源深和孕育期長，人類目前還沒有辦法探知地震事件整個過程。

產(chǎn)生巖爆的內(nèi)部因素就是巖石高應(yīng)力狀態(tài)下具有突然變形等性質(zhì)（硬、脆、干燥、結(jié)構(gòu)完整）。外因就是所受應(yīng)力達到臨界狀態(tài)。地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)力集中（開挖及其引起的一維或二維卸載）、爆炸應(yīng)力波傳播與反射疊加等都能導(dǎo)致臨界狀態(tài)。

3.2 巖爆理論

巖爆的形成經(jīng)歷孕育、發(fā)作的過程。孕育其實是一個巖石變形微破裂演化直至宏觀失穩(wěn)的過程，在失穩(wěn)發(fā)生之前整個過程其實是一個準(zhǔn)靜態(tài)的過程。因此完全可以應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)的研究方法，研究在外加荷載或開挖卸載作用的巖石微破裂演化過程，尋找?guī)r爆發(fā)生的前兆規(guī)律,為巖爆的監(jiān)測預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。發(fā)作瞬間是動態(tài)的，必須應(yīng)用動力學(xué)方法，研究失穩(wěn)過程所釋放的能量和震級，為防止巖爆發(fā)生的支護參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)于巖爆的機理，巖爆研究學(xué)者相繼提出了：

⑴強度理論。強度理論著眼于巖體的破壞原因，認(rèn)為地下井巷和采場周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中的程度達到礦巖強度極限時，巖層發(fā)生突然破壞，發(fā)生巖爆。強度理論只給出了巖爆的必要條件。

⑵能量理論。隨著采掘范圍的不斷擴大，巖爆是由于巖體一圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)釋放的能量大于巖體本身破壞所消耗的能量而引起的。這種理論較好地解釋了地震和巖石拋出等動力現(xiàn)象。能量理論從能量角度解釋了巖爆的破壞機理，但它并未說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)和破壞條件。

⑶失穩(wěn)理論。失穩(wěn)理論是將圍巖看成一個力學(xué)系統(tǒng)，將巖爆當(dāng)作圍巖組成的力學(xué)系統(tǒng)的動力失穩(wěn)過程。巖石在已具備大量彈性應(yīng)變能及峰值強度以后處于非穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，在干擾性因素如洞室的開挖、地震、圍巖振動等因素的影響下，巖石會失穩(wěn)。

此外，斷裂損傷理論認(rèn)為損傷積累到一定程度，就出現(xiàn)了宏觀裂紋，如此時損傷繼續(xù)積累，就可能產(chǎn)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象從而導(dǎo)致巖石儲存應(yīng)變能的能力降低，出現(xiàn)彈性應(yīng)變能的釋放，如多余能量向外部傳遞，就會引起巖爆。突變理論是指從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，或者說在系統(tǒng)演化中，某些變量的逐漸變化導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)的突然變化。

4 巖爆預(yù)測預(yù)報

礦山巖爆預(yù)測預(yù)報分階段進行：首先礦山勘探階段預(yù)先查明地應(yīng)力異常范圍及程度，并對圍巖力學(xué)特性、巖爆臨界深度等作出評價，以便選擇合理的礦井設(shè)計方案、正確的開拓開采方式，消除或者減緩巖爆危害；其次開拓期間要利用井巷揭露的巖層做進一步力學(xué)試驗，評價巖爆的可能性并提出防治措施；最后采礦過程中掌握巖爆誘發(fā)因素、檢測圍巖應(yīng)力集中程度及卸壓效果并提出更詳細(xì)的解危措施。

4.1 巖爆預(yù)測

人類暫時還不能控制巖爆，但現(xiàn)有技術(shù)能夠從圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖石自身的性質(zhì)等方面來“診斷”圍巖是還處于巖爆臨界狀態(tài)及巖爆發(fā)作的可能性。

4.1.1 應(yīng)力判據(jù)

巖爆應(yīng)力判別準(zhǔn)則：σθ/σc＜0.20(無巖爆)；0.20≤σθ/σc＜0.30(弱巖爆)；0.30≤σθ/σc＜0.55(中巖爆)；σθ/σc≥0.55(強巖爆)。

σθ－圍巖應(yīng)力；σc－單軸抗壓強度。

4.1.2 彈性能量指數(shù)

將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rb(巖石抗壓強度)，然后再卸載到0.05Rb時，卸載所釋放的彈性應(yīng)變能Φsp與耗損的彈性應(yīng)變能Φst之比值，定義為彈性能量指數(shù) Wet，即 Wet=Φsp/Φst。Wet的分級標(biāo)準(zhǔn)為：50≤Wet,強烈沖擊傾向性；20≤Wet＜50,中等沖擊傾向性；Wet＜20,無沖擊傾向性。

4.1.3 巖石脆性系數(shù)

根據(jù)實驗測得的巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度，再根據(jù)巖石脆性指標(biāo)，即抗壓強度與抗拉強度的比值B來衡量巖爆傾向性。脆性系數(shù)為:B=σc/σt，B＜10,無巖爆傾向；10≤B＜14,弱巖爆傾向；14≤B＜18,中等巖爆傾向；B≥18,強烈?guī)r爆傾向。

σc－單軸抗壓強度；σt－抗拉強度。

4.2 巖爆預(yù)報

巖石是一種本質(zhì)上非均勻的材料，在較小的尺度上，巖石常含有各種不同的礦物顆粒、膠結(jié)物、孔隙等缺陷；在較大的尺度上，則含有層理、裂隙等缺陷；在更大的尺度上，則有斷層等結(jié)構(gòu)面。因此巖體結(jié)構(gòu)的破壞過程是一個伴隨巖石微破裂前兆的漸進破壞誘致突變的過程，這是巖爆有可能被監(jiān)測預(yù)警的最基本的力學(xué)基礎(chǔ)。

4.2.1 微震(MS)法

深井硬巖礦山開采的一個基本問題就是高地應(yīng)力，在高地應(yīng)力環(huán)境下的采礦活動往往會誘發(fā)微震產(chǎn)生。利用連續(xù)的、長時期的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)微震事件的時間序列和空間分布規(guī)律，找出地震學(xué)參數(shù)和地震活動與巖石破壞之間的明確的可以承認(rèn)的關(guān)系模式，進而找出發(fā)生巖爆危險的趨勢，圈定巖爆危險的大致區(qū)域。

4.2.2 聲發(fā)射(AE)法

該法能探測到巖石變形時發(fā)生的亞聲頻噪音(即微震)，地音探測器(拾音器)能將那些人耳聽不到的聲波轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)地音探測器檢測到的微細(xì)破裂，確定異常高應(yīng)力區(qū)的位置。

當(dāng)巖石臨近破壞之際，A-E(微震)噪音讀數(shù)迅速增加，如果地音探測器平均噪音讀數(shù)大于預(yù)定的目標(biāo)，就意味著有巖爆來臨。

4.2.3 微重力(MC)法

一般情況下，在發(fā)生震動和巖爆前，巖體的體積將會變化，從而使巖體密度改變，根據(jù)巖體的變形，重力強度的變化，以及密度分布的變化可以預(yù)測具有巖爆傾向的地帶。

巖爆發(fā)生之前，因裂隙的形成及擴展，巖體密度將有降低的趨勢，處于臨爆狀態(tài)的巖石出現(xiàn)負(fù)重力異常極值，所以可以用微重力量測值作為巖爆發(fā)生的判據(jù)。

4.2.4 電磁輻射(EMR)法

這一方法是依據(jù)完整圍巖壓縮變形破壞過程中，彈性范圍內(nèi)不產(chǎn)生電磁輻射，峰值強度附近的電磁輻射最強烈，軟化后無電磁輻射的原理，采用特制的儀器，現(xiàn)場監(jiān)測圍巖體變形破裂過程中發(fā)出的電磁輻射“脈沖”信號，通過數(shù)據(jù)處理和分析研究來預(yù)報巖爆。

5 巖爆防治技術(shù)措施

正如人類企圖逃避或抗御地震災(zāi)害而去研究地震一樣，人類研究巖爆機理目的就是為了預(yù)測和防治巖爆。巖爆的預(yù)測預(yù)報是防治的前提，只有在預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)上，才能采取合理、高效的防治措施。巖爆的防治工作技術(shù)性強、難度大、成本高，礦山一般與科研單位合作，共同防治巖爆。

施工過程中如遇到巖爆，必須高度重視，積極治理；巖爆段過后，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗，為后期深部開拓巖爆防治在理論上提供參考、指導(dǎo)意見。下面是筆者在金屬礦山開拓期間工程實踐中遇到弱巖爆所采取的一些技術(shù)措施。

5.1 爆破后治理措施

在工作面爆破后，要安排人觀察巖爆發(fā)生情況，如遇巖爆必須待巖爆情況稍緩解后，再進行如下措施：

⑴在開挖后0～4h時間段內(nèi)，巖爆活動的頻率較高，巖石破壞厚度也較大；開挖后15～20h時段內(nèi)，巖爆發(fā)生的頻率也較高，因此要求施工人員采取“躲”的策略，有意識地避讓巖爆的高發(fā)時段和地段，間接地轉(zhuǎn)移應(yīng)力和能量。

⑵建議在工作面開挖后24h內(nèi)，多觀察、少作業(yè)，施工中遇到巖爆，應(yīng)當(dāng)控制掘進進度，減少循環(huán)次數(shù)，讓出泄壓時間。

⑶爆破后通風(fēng)，先利用通風(fēng)時間待巖爆減弱后對撐子面及其邊幫進行噴射冷水，噴水時可適當(dāng)加大水壓，噴距10～15m較為適合。以改變巖石表面物理力學(xué)性質(zhì)，降低巖石脆性，增強塑性，從而釋放能量，以達到消除或減弱巖石劇烈程度的目的。

⑷做實、做好撬毛排險工作。撬毛排險分為噴水后出渣前和出渣后二個階段，噴水后出渣前撬毛排險施工人員較為習(xí)慣，出渣后或巷道成巷后的二次撬毛排險施工人員容易忽視。而具有巖爆現(xiàn)象工程施工地段圍巖的松動具有一定的持續(xù)性，尤其是具有弱巖爆現(xiàn)象工程地段，巖石不是以彈射方式脫離圍巖，而是以松動脫落的方式與圍巖分開。因此，對于具有巖爆地段工程而言，二次撬毛排險是一項重要環(huán)節(jié)。

⑸及時支護。對于弱巖爆危險區(qū)域，采取噴射混凝土支護，厚度不應(yīng)小于100mm，使圍巖得到一定的側(cè)壓保護；對于有中等巖爆威脅的區(qū)域，可以采取錨網(wǎng)噴，建議錨桿采用管縫式或楔縫式錨桿，錨桿不僅起支護圍巖的作用，而且起到卸壓孔的作用；對于有較強巖爆威脅的區(qū)域，必須采取雙層錨網(wǎng)噴加鋼筋梁聯(lián)合支護，防止巖爆的發(fā)生。

⑹收集各工程施工中巖爆發(fā)生的地點、范圍與程度，巖爆發(fā)生特征，及其巖石等地質(zhì)環(huán)境，建立作業(yè)區(qū)各工程施工巖爆檔案，預(yù)測將要施工段發(fā)生巖爆的可能性，提前做好防治工作。

5.2 爆破前預(yù)防措施

⑴在施工前，加強收集已有的勘測資料，初步確定今后施工過程中哪些部位及里程容易發(fā)生巖爆現(xiàn)象，對于巖爆地段，優(yōu)化巷道形狀和方位、調(diào)整巷道施工順序及礦山井巷的總體布局。

⑵工程掘進采用“短進尺、多循環(huán)”的施工方式，即鉆孔深控制在2m以內(nèi)；若多個作業(yè)面相距較近時（對向施工50m、垂直方向上20m），應(yīng)當(dāng)錯開爆破時間，防止由于爆破振動造成應(yīng)力迭加造成再次巖爆塌方。

⑶采取“先導(dǎo)硐，后刷擴”的二次推進的掘進方式；巖爆地段采用鉆爆法施工時，應(yīng)短進尺掘進；微差起爆，嚴(yán)格控制最大單響藥量，減小藥量和減少爆破頻率，提高光爆效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低對巷道圍巖的破壞程度，提高圍巖的平整度與自撐能力。

⑷打爆破孔之前，打撐子面超前泄壓孔，即在撐子面上打應(yīng)力釋放孔。應(yīng)力釋放孔深為每循環(huán)進尺的2倍，孔徑42～48mm，排數(shù)3～4排，孔排距1.5～2 m，孔與輪廓周邊距離1～1.5m，靠周邊的應(yīng)力釋放孔外斜角控制在5°～10°，孔底不超出設(shè)計輪廓線；應(yīng)力釋放孔打好后可用高壓水沖洗或注高壓水。

⑸加強巖爆的現(xiàn)場監(jiān)測工作。現(xiàn)場監(jiān)測可以分二步走，第一步主要是表象觀測，利用人的肉眼和耳朵去觀測作業(yè)區(qū)異常現(xiàn)象，做到一聽響聲、二看位置、三看方向，找出巖爆發(fā)生的前兆，如邊幫開裂、脫片或出現(xiàn)異常的響聲等，做到及時發(fā)現(xiàn)險情及時處理；第二步可結(jié)合現(xiàn)場實際利用兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監(jiān)測儀器進行監(jiān)測，掌握巷道圍巖及支護的變形動態(tài)，根據(jù)反饋的量測信息，優(yōu)化施工方案，及時指導(dǎo)施工。

⑹加強對施工人員包含巖爆知識等安全培訓(xùn)教育，提高對巖爆認(rèn)識與防護意識，同時制訂相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保施工安全。

6 結(jié)束語

隨著礦山開采深度的增加，巖爆發(fā)生的可能性以及烈度也會增加，人類將繼續(xù)與巖爆作斗爭。人類憧憬巖爆研究在以下2個方面取得突破：

⑴圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，如何大范圍卸壓？人類采用幃幕注漿技術(shù)進行大范圍治水，能不能利用類似于“帷幕技術(shù)”來治理地壓？

⑵巖爆誘發(fā)的內(nèi)在機制及物理實質(zhì)，特別是外源如爆破等對巖爆的直接影響，關(guān)系到對巖爆的控制。巖爆發(fā)作瞬間是動態(tài)的，但發(fā)作機制研究深度不夠，人類如果能引爆巖爆，那巖爆災(zāi)害將會徹底防范，如果能引爆巖爆，那巖爆破碎礦石的優(yōu)勢可以得到應(yīng)用，說不定又是一次采礦技術(shù)革新。