黃 寧,盧海珠,彭 庚,汪曉霖,尹里剛,張曉悟

(1.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司,湖北 武漢 430080)(2.湖北興發(fā)化工集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443000)(3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221100)(4.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦,廣東 韶關(guān) 512000)

0 引 言

巖爆,本質(zhì)上是地下巖體在內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力和外部采動(dòng)應(yīng)力共同作用下,由靜態(tài)平衡向動(dòng)態(tài)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變,并伴有突發(fā)巖石飛濺、能量突變等現(xiàn)象的過程[1-2]。自21世紀(jì)以來,我國工業(yè)發(fā)展規(guī)模實(shí)現(xiàn)跨越式增長,隨之引發(fā)的礦產(chǎn)資源、隧道工程等行業(yè)逐漸由近地向深地?cái)U(kuò)張,進(jìn)而導(dǎo)致巖爆災(zāi)害在現(xiàn)場施工過程中屢見不鮮。

迄今為止,巖爆的發(fā)生機(jī)理在工程學(xué)術(shù)界尚無統(tǒng)一定論。Kidybiński等[3]早在1981年提出了巖爆傾向性理論,該理論認(rèn)為巖體本身就擁有儲(chǔ)存能量和抵抗破壞的能力,當(dāng)巖石介質(zhì)所受壓力和所儲(chǔ)應(yīng)變能超越閾值時(shí),即發(fā)生巖爆。Cook等[4]最早于1965年提出了能量破壞理論,該理論的主要支撐點(diǎn)為當(dāng)巷道圍巖的能量釋放速率大于能量儲(chǔ)存速率,將會(huì)發(fā)生巖爆。Obert 等[5]基于材料強(qiáng)度準(zhǔn)則提出了巖爆強(qiáng)度理論,其認(rèn)為巖體所受的極限強(qiáng)度超過最大抗壓強(qiáng)度,巖體內(nèi)部將會(huì)發(fā)生破壞。Hoek E等[6]于1966年基于剛度理論和突變理論提出分形失穩(wěn)理論,該理論考慮的是整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從剛度超限和突變失穩(wěn)兩個(gè)角度研究巖體失穩(wěn)的破壞形式。

在具體工程實(shí)例中,根據(jù)巖爆發(fā)生機(jī)理可將巖爆現(xiàn)象分為3類[7]:應(yīng)變型巖爆、巖柱型巖爆和斷裂型巖爆,其中斷裂型巖爆后果最嚴(yán)重,巖柱型巖爆次之。應(yīng)變型巖爆[8]多見于地質(zhì)體內(nèi)部最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力比懸殊的巖體中,多發(fā)生于褶皺或臨近斷層地帶,在研究過程中應(yīng)優(yōu)先關(guān)注地質(zhì)條件、埋深和巖體介質(zhì)參數(shù)。巖柱型巖爆[9]常見于多條巷道或多個(gè)采場交匯處的巖柱,與實(shí)際工程背景和掘進(jìn)開采工藝息息相關(guān)。斷裂型巖爆[10]從嚴(yán)格意義上講屬于應(yīng)變型巖爆加劇的一種模式,在應(yīng)變型巖爆中未考慮巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙,但在實(shí)際巖體中,節(jié)理裂隙對巖爆的發(fā)生具有加劇的作用。

盡管巖體巖爆機(jī)理和表現(xiàn)形式不一,但在其破壞時(shí)均表現(xiàn)出應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和能量的傳遞[11]。因此,采取不同的監(jiān)測預(yù)測技術(shù)對巖爆發(fā)生前兆進(jìn)行超前監(jiān)測與預(yù)警是降低損傷的最直接、最有效的方法。如何準(zhǔn)確獲取巖爆前兆的物理信號(hào)并判斷巖爆發(fā)生的傾向是監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要方向。本文從巖爆的動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系出發(fā),揭示了理論指標(biāo)和現(xiàn)場監(jiān)測兩方面的各類巖爆監(jiān)測、預(yù)測技術(shù)的工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件,并分析了各監(jiān)測技術(shù)方案之間的關(guān)聯(lián)性。

1 理論指標(biāo)判據(jù)法

為研究巖爆發(fā)生傾向性,諸多學(xué)者通過理論分析,提出各類理論判定標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)查閱文獻(xiàn)和筆者認(rèn)知,可將巖爆理論判據(jù)分為單指標(biāo)判據(jù)和綜合指標(biāo)判據(jù)。

1.1 單指標(biāo)判據(jù)法

1.1.1 巖石固有性質(zhì)判據(jù)

表1 巖爆能量預(yù)測判據(jù)指標(biāo)

表2 巖爆脆性預(yù)測判據(jù)指標(biāo)

巖石儲(chǔ)能和脆性均是巖石自身屬性,當(dāng)這兩種屬性達(dá)到強(qiáng)烈?guī)r爆標(biāo)準(zhǔn)時(shí),具體何時(shí)發(fā)生巖爆、發(fā)生多大范圍的巖爆還與巖石的賦存條件、開發(fā)方式和支護(hù)方式有關(guān),需要進(jìn)一步研究探討。

1.1.2 應(yīng)力條件判據(jù)

為了綜合分析巖爆應(yīng)力判據(jù)的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ),此處以時(shí)間線為主軸詳細(xì)羅列出應(yīng)力判據(jù)的判別條件和來源,如表3所示。從以往的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出:判別條件均為能量與應(yīng)力之比或者應(yīng)力與能量之比,但有些判據(jù)條件相同,巖爆傾向和等級(jí)卻不盡相同。由此分析其主要原因是目前國內(nèi)外巖爆機(jī)理尚不明確,應(yīng)力判據(jù)均為經(jīng)驗(yàn)判據(jù),根據(jù)各個(gè)工程的具體情況差異有所不同。據(jù)表3指標(biāo),本文把臨界深度歸類于應(yīng)力判據(jù)的范疇,是由于埋深、采深是造成地應(yīng)力變化的主要原因。

表3 巖爆應(yīng)力預(yù)測判據(jù)指標(biāo)

1.1.3 圍巖地質(zhì)條件判據(jù)(RQD指標(biāo))

巖體圍巖是巖體外部應(yīng)力的主要來源,對巖體巖爆發(fā)生傾向及等級(jí)至關(guān)重要。一般而言,圍巖完整性越好,能儲(chǔ)存的應(yīng)變能越大,越不易發(fā)生應(yīng)力集中和能量積聚現(xiàn)象,越不容易發(fā)生巖爆。根據(jù)圍巖等級(jí)分類,國內(nèi)外多采用RQD指標(biāo)對巖爆進(jìn)行分級(jí)判別:(1)RQD<0.25,無巖爆;(2)0.25≤RQD<0.5,弱巖爆;(3)0.5≤RQD<0.7,中巖爆;(4)0.7≤RQD,強(qiáng)巖爆。

1.2 綜合指標(biāo)判據(jù)法

1.2.1 范正綺判據(jù)指標(biāo)

范正綺等[28]通過大量的現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)一套適用于硬巖巖體的巖爆判據(jù)指標(biāo),其認(rèn)為只有當(dāng)巖爆傾向和圍巖應(yīng)力同時(shí)滿足相應(yīng)指標(biāo)才能發(fā)生巖爆,判據(jù)如公式(1)～(3)所示。

σθ≥kσc

(1)

Wet≥5

(2)

k=f(σ1,σθ)

(3)

式中:k為比例系數(shù)。當(dāng)σ1/σθ為0.25時(shí),k取0.3;當(dāng)σ1/σθ為0.5時(shí),k取0.4;當(dāng)σ1/σθ為0.75時(shí),k取0.5。

1.2.2 秦嶺隧道指標(biāo)

谷明成等[29]學(xué)者通過在秦嶺隧道展開現(xiàn)場巖爆監(jiān)測預(yù)測研究,針對此處的巖爆發(fā)生可能性提出理論判據(jù),如式(4)～(7)所示。

σc≥1.5σt

(4)

Wet≥2.0

(5)

σθ≥0.3σc

(6)

kv≥0.55

(7)

其中,kv為巖石完整性系數(shù),Wet為彈性能量指數(shù)。

1.2.3 張鏡劍判據(jù)指標(biāo)

張鏡劍等[30]在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)陶振宇提出的σθ/σ1≤14.5的巖爆發(fā)生判據(jù)的閾值較低,而谷明成提出的σθ≥0.3σc較高,為了充分準(zhǔn)確的判斷預(yù)測指標(biāo)在各類巖體巖爆中的普適性,張鏡劍在兩位學(xué)者的基礎(chǔ)上將秦嶺隧道指標(biāo)略作調(diào)整,提出了較為一種較為綜合的判據(jù)指標(biāo),如式(8)所示。

σθ≥0.15σc

(8)

1.2.4 RVI判據(jù)指標(biāo)

邱士利等[31]通過對錦屏水電站的地下硐室群的62例巖爆事故進(jìn)行反向推演,提出了需要達(dá)到巖爆所需的巖石力學(xué)條件,進(jìn)而提出了巖爆傾向性指標(biāo)(RVI),并基于此指標(biāo)確立了爆坑深度計(jì)算公式,依此來確定巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

RVI巖爆判據(jù)指標(biāo)由4個(gè)控制因子構(gòu)成,結(jié)合了巖爆強(qiáng)度理論、剛度理論和能量理論中所提出的巖體剛度因子FM、應(yīng)力因子FS、巖體構(gòu)造因子FG和巖石因子FR,公式中分別體現(xiàn)不同巖爆因子對巖爆傾向性的貢獻(xiàn)。RVI 判據(jù)指標(biāo)和了爆坑深度計(jì)算公式如式(9)～(10)所示。

RVI=FMFSFGFR

(9)

Df=Rf(0.008RVI+0.2307)

(10)

式中:Df-爆坑深度;Rf-水力半徑。

1.2.5 巖爆勢(Prb)判據(jù)指標(biāo)

尚彥軍等[32]在建立應(yīng)變型巖爆模型的基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及數(shù)值模型等多種研究手段,提出了最大切應(yīng)力σθ、巖石抗拉強(qiáng)度σt和巖體完整性kv作為巖爆的3個(gè)獨(dú)立參數(shù)指標(biāo),并根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了巖爆勢表達(dá)式(Prb),如式(11)所示,以此表征巖爆的發(fā)展趨勢和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

Prb=(σθ/σt)Kv

(11)

當(dāng)Prb<1.7,無巖爆;1.7≤Prb<3.3,弱巖爆;3.3≤Prb<9.7,中巖爆;9.7≤Prb,強(qiáng)巖爆。

2 現(xiàn)場監(jiān)測判據(jù)法

2.1 超前宏觀監(jiān)測法

超前宏觀監(jiān)測法最初是通過經(jīng)驗(yàn)豐富的現(xiàn)場作業(yè)人員采用“聽”和“看”的方式對超前工作面進(jìn)行現(xiàn)場巡查,結(jié)合巖爆發(fā)生的物理特征,進(jìn)行初步預(yù)判。而后隨著時(shí)間發(fā)展,施工單位通過對現(xiàn)有類似工程或類似地質(zhì)條件的巖爆事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,監(jiān)測與巖爆相關(guān)的特殊地質(zhì)現(xiàn)象(如巖體內(nèi)部巖芯餅化程度,應(yīng)力-應(yīng)變曲線異常等),最后對巖爆發(fā)生的傾向性進(jìn)行預(yù)測[33]。如日本Kan-Etsu公路隧道施工過程中揭露的巖芯餅化程度與巖爆區(qū)相吻合,進(jìn)而佐證了超前宏觀監(jiān)測法的有效性。但該方法受到同等地質(zhì)條件且相同的工程案例數(shù)據(jù)庫,且在預(yù)測方面受人為經(jīng)驗(yàn)影響較大,其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性往往不能與實(shí)際相匹配。

2.2 鉆屑量法

鉆屑量法是根據(jù)巖體小孔徑鉆孔施工過程中每米進(jìn)尺時(shí)的排粉量變化規(guī)律和造孔期間的動(dòng)力現(xiàn)象,揭示巖體應(yīng)力集中狀態(tài)并據(jù)此預(yù)報(bào)巖爆。通常,具有巖爆危險(xiǎn)部位的鉆孔排粉量劇增至正常值10倍以上,當(dāng)排粉量為正常值2倍以上時(shí)則認(rèn)為存在巖爆危險(xiǎn)。

該方法20世紀(jì)60年代在歐洲開始使用,且普遍應(yīng)用于礦山領(lǐng)域。陳海棟等[34]將鉆屑量法用于煤礦領(lǐng)域,通過對比單位長度內(nèi)鉆屑量判斷巖石松動(dòng)圈和塑性圈所處范圍,如圖1所示。該方法在電磁設(shè)備和物探設(shè)備應(yīng)用于礦山領(lǐng)域后,逐漸被聲發(fā)射、微震等監(jiān)測手段替代。

圖1 鉆屑量-鉆井深度

2.3 微重力法

微重力法的力量基礎(chǔ)是脆性巖石的“擴(kuò)容”,巖體在外部荷載和采動(dòng)二次地應(yīng)力條件下發(fā)生損傷破壞,內(nèi)部由于裂隙的產(chǎn)生,體積會(huì)進(jìn)一步增大。此時(shí)巖石的微重力異常變化呈現(xiàn)由正到負(fù)的趨勢,臨近巖爆發(fā)生時(shí)的巖石負(fù)重力異常達(dá)到極值,故借助微重力變化量可以判斷巖爆發(fā)生與否。當(dāng)重力異常長期為正異常水平,表明巖爆發(fā)生可能性小[35]。

Bieniawski等[36]在實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了微重力“擴(kuò)容”模型,將巖樣在外部荷載條件的5個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變體征與5個(gè)擴(kuò)容階段相對應(yīng),解釋了巖體在破壞前微重力異常與巖爆發(fā)生傾向的相互作用關(guān)系。此方法受外部溫度、濕度和巖體賦存條件等環(huán)境因素影響較大,在實(shí)際工程應(yīng)用中局限性大。

2.4 巖體電磁輻射監(jiān)測法

早在20世紀(jì)40年代初,國外知名學(xué)者Urusovskaja在研究KCL斷裂行為的過程中,發(fā)現(xiàn)固體介質(zhì)在衍生斷裂裂隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。Maniak等[37]通過監(jiān)測花崗巖在外部動(dòng)態(tài)荷載加載條件下的電磁輻射特征,發(fā)現(xiàn)電磁輻射強(qiáng)度與脈沖數(shù)分布規(guī)律與巖體破壞特征同步,隨著巖體的彈性壓縮階段、峰值強(qiáng)度階段、軟化階段表現(xiàn)出由弱至強(qiáng)再至弱的演化過程。

國內(nèi)周春華等[38]學(xué)者將巖體電磁輻射監(jiān)測方法廣泛應(yīng)用于長深隧道、水蓄能電站領(lǐng)域的工程實(shí)踐中,通過“區(qū)域靜態(tài)”的電子輻射監(jiān)測方法揭示了電子輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)在硬巖巷道中表現(xiàn)出上、下部低,巷幫中部高的普遍特性,如圖2、3所示,并且進(jìn)一步表明電磁輻射強(qiáng)度在斷層、褶皺等不同地質(zhì)構(gòu)造下空間分區(qū)特征顯著,即電磁輻射在相對完整的巖層中輻射強(qiáng)度高且變化幅度大,在特征發(fā)生突變時(shí),將有可能發(fā)生巖爆。

圖2 電磁強(qiáng)度時(shí)空分布圖

圖3 脈沖數(shù)時(shí)空分布圖

2.5 紅外熱線法

紅外輻射是物體介質(zhì)在熱交換過程中產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象,是一種熱力學(xué)性征。巖體在產(chǎn)生應(yīng)變的過程中會(huì)有顯著的溫度升高現(xiàn)象,當(dāng)散發(fā)出的紅外溫度異常時(shí),表明巖體發(fā)生破壞。在地下工程開挖過程中,圍巖表面溫度的快速上升是巖石發(fā)生巖爆的一種前兆特征。但采用紅外熱成像技術(shù)對巷道、采場的圍巖進(jìn)行巖爆監(jiān)測的可操作性尚有待深入研究。目前該項(xiàng)技術(shù)尚在室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究階段,現(xiàn)場應(yīng)用還不成熟。

2.6 聲發(fā)射監(jiān)測法

巖體由于外部荷載的作用,產(chǎn)生裂縫擴(kuò)展、塑性變形或者相變而釋放“應(yīng)力波”的過程被稱為聲發(fā)射[39]。聲發(fā)射監(jiān)測(acoustic emission,簡稱AE)又稱地音法,是通過接收并分析巖體內(nèi)部傳出的“聲”信號(hào)事件數(shù)和能率,判定巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。

羅丹旎等[40]設(shè)計(jì)了單裂隙花崗巖真三軸單面臨空試驗(yàn),采用高速攝像系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)聯(lián)合監(jiān)測不同產(chǎn)狀巖石的聲發(fā)射演化特性,揭示了裂隙產(chǎn)狀與巖爆彈射動(dòng)能的關(guān)系,研究成果為裂隙巖石的巖爆災(zāi)變機(jī)制和聲發(fā)射監(jiān)測的有效性提供了科學(xué)依據(jù)。王亞磊等[41]認(rèn)為對巖爆等級(jí)進(jìn)行精準(zhǔn)分級(jí)是巖爆災(zāi)害預(yù)警的重要基礎(chǔ),其采用聲發(fā)射監(jiān)測不同方向條件下巖樣單軸壓縮試驗(yàn)的聲發(fā)射特征,巖石應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射事件數(shù)、能率之間的關(guān)系如圖4所示,并基于此特征提出了基于試件主破裂前的累積聲發(fā)射能量Eq與最終破裂后的累積聲發(fā)射能量E之比的巖爆等級(jí)預(yù)判方法。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射事件數(shù)、能率關(guān)系

巖爆的災(zāi)變過程是一個(gè)能量累積的過程,能量的累積過程是一個(gè)聲發(fā)射平靜期,在此期間聲發(fā)射信號(hào)的暫時(shí)平靜是巖爆災(zāi)害發(fā)生的前兆。且?guī)r爆前平靜期的聲發(fā)射是一個(gè)高頻率、低能量的傳播事件(能量發(fā)出頻率高、下降速度快、傳播距離有限),與地震、微震的頻率對比如圖5所示。因此,聲發(fā)射僅適用于對局部小范圍的巖體工程。

圖5 地震、微震與聲發(fā)射頻率的關(guān)系[42]

2.7 微震監(jiān)測法

微震監(jiān)測技術(shù)是現(xiàn)行的一種高科技、信息化的地下工程巖體監(jiān)測技術(shù)。微震是指目標(biāo)巖體在外力作用下,材料內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)局域源以順位彈性波的形式快速向外釋放能量的過程,目標(biāo)能量傳遞起源于材料的裂紋、巖體的破壞。巖體的破壞是一系列巖石損傷的演化過程,通過分析蘊(yùn)含在巖體內(nèi)部的微震數(shù)據(jù),能夠得到巖體在破壞演化過程中應(yīng)力和能量的傳遞信息,可以從側(cè)面推演出巖體的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理。

李庶林[42]于2003年建立起全國第一套全數(shù)字型64通道微震監(jiān)測系統(tǒng),并應(yīng)用于凡口鉛鋅礦的地壓監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)了對該礦深部采區(qū)的地壓控制。唐禮忠等[43]引進(jìn)南非ISSI公司的ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)以建立冬瓜山深井開采微震監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)監(jiān)測出的巖體活動(dòng)特征如圖6所示,該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與礦山采礦方法設(shè)計(jì)同步進(jìn)行,不僅實(shí)現(xiàn)了對該礦開采過程的巖體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測,更進(jìn)一步證明了微震監(jiān)測在礦山地壓控制領(lǐng)域的可靠性,為我國深井巖爆的安全管控提供了方向。

圖6 微震活動(dòng)特征

和聲發(fā)射技術(shù)相比,微震監(jiān)測技術(shù)利用的是一種低頻率、高能量的震動(dòng),具備監(jiān)測范圍廣、地域深的特點(diǎn)。經(jīng)過幾十年科技的發(fā)展,微震監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)具備成套的巖爆監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng),在我國物探及監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但監(jiān)測過程中易受“虛假信號(hào)”的干擾,對信號(hào)的譯碼需要進(jìn)一步研究。

3 其他監(jiān)測、預(yù)測方法

3.1 數(shù)值指標(biāo)監(jiān)測、預(yù)測

除了應(yīng)用廣泛的理論判據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測方法外,國內(nèi)外諸多學(xué)者通過對大量的巖爆災(zāi)害進(jìn)行調(diào)研分析,并結(jié)合能量理論提出了能量釋放率(ERR)[44]、超前應(yīng)力(ESS)[45]、巖爆傾向指數(shù)(BPI)[46]、局部能量釋放密度(LERD)[47]、相對能量釋放指數(shù)(RERI)[48]等數(shù)值監(jiān)測指標(biāo)。

從上述數(shù)值指標(biāo)可以看出,巖爆數(shù)值指標(biāo)的發(fā)展逐步由靜力學(xué)向動(dòng)力學(xué)發(fā)展,從單一的礦山巖爆指標(biāo)向全方位、全賦能綜合指標(biāo)發(fā)展,從無法表征巖體破壞的彈性模型(ERR、BPI、LERD)向可以表征巖體發(fā)生巖爆的彈(脆)性模型(RERI)邁進(jìn)。

3.2 應(yīng)用數(shù)學(xué)監(jiān)測、預(yù)測

應(yīng)用數(shù)學(xué)法監(jiān)測、預(yù)測主要依賴于巖爆工程案例和巖爆理論預(yù)測指標(biāo)。依托于巖爆工程案例的監(jiān)測、預(yù)測法[49-51]主要包括:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合訓(xùn)練法、支持向量機(jī)法、Fisher判別分析法、Bayes判別分析法和高斯過程法。在理論預(yù)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合預(yù)測的方法包括模糊數(shù)學(xué)法、灰色理論綜合分析法、物元可拓綜合判別法、逼近理想解法等多種計(jì)算方法。

預(yù)測方法中的前者主要將試樣巖石各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)通過巖爆指標(biāo)判據(jù)公式進(jìn)行多次訓(xùn)練,將其與待評估的試驗(yàn)巖石形成非線性曲線進(jìn)行對比,進(jìn)而判別巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);后者主要通過現(xiàn)有理論判據(jù)指標(biāo)進(jìn)行判別。

4 結(jié) 論

由于我國深地采礦的必然性和巖爆災(zāi)害的復(fù)雜性,“巖爆”控制已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域?qū)W者面臨的首要難題。為幫助諸多學(xué)者對巖爆發(fā)生的機(jī)理和監(jiān)測、預(yù)測手段的清晰認(rèn)識(shí),本文對國內(nèi)外暫行的巖爆形成機(jī)理進(jìn)行了梳理,對現(xiàn)有的監(jiān)測、預(yù)測方法進(jìn)行了分析總結(jié),得出以下結(jié)論:

(1)巖爆理論、機(jī)理明確化:理論是一切監(jiān)測及防治手段的基礎(chǔ),當(dāng)前盛行的能量理論、剛度理論、強(qiáng)度理論、傾向性理論等學(xué)說均僅適用于某些特定地質(zhì)條件或者某種實(shí)驗(yàn)狀態(tài),不具備普適性。因此,為確保監(jiān)測手段和防治方法的有效、準(zhǔn)確,對巖爆發(fā)生機(jī)理和理論支撐應(yīng)做進(jìn)一步研究明確。

(2)巖爆監(jiān)測方法智能化:現(xiàn)有的監(jiān)測手段中聲發(fā)射和微震監(jiān)測能夠較為準(zhǔn)確的對巖體活動(dòng)行為及特征進(jìn)行評判,但均易受外部“假信號(hào)”的干擾。系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)識(shí)別、屏蔽甚至剝離虛假信號(hào)是聲發(fā)射和微震監(jiān)測系統(tǒng)的一大難題。

(3)巖爆預(yù)測指標(biāo)綜合化:巖爆活動(dòng)傳遞的信號(hào)包括應(yīng)力、應(yīng)變、能量等等,單一指標(biāo)判據(jù)預(yù)測很難實(shí)現(xiàn)對巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的準(zhǔn)確評估。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等現(xiàn)代化計(jì)算模型建立綜合指標(biāo)預(yù)測體系能夠準(zhǔn)確地對巖爆發(fā)生傾向進(jìn)行預(yù)測。

(4)監(jiān)測、預(yù)測手段即時(shí)化、集成化:從目前國內(nèi)外的巖爆研究現(xiàn)狀可以看出,僅僅采用傳統(tǒng)的、單一的監(jiān)測技術(shù)和預(yù)測判據(jù)難以滿足工程需要。為達(dá)到穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測巖爆活動(dòng)的目的,將理論指標(biāo)判據(jù)法和現(xiàn)場監(jiān)測判據(jù)法進(jìn)行綜合應(yīng)用是必然的,采用即時(shí)的、先進(jìn)的數(shù)值和應(yīng)用數(shù)學(xué)監(jiān)測預(yù)測方法進(jìn)行輔助驗(yàn)證是巖爆風(fēng)險(xiǎn)評估的未來發(fā)展趨勢。