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微震科普系列----2,岩爆产生的主要条件与防治措施

岩爆是岩体破坏的一种形式 。它是处于高应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体, 在开挖活动的扰动下, 其内部储存的应变能瞬间释放, 造成开挖空间周围部分岩石从母岩体中急剧 、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。
       世界上最早记录岩爆的历史可以追溯到18世纪30年代,那次岩爆发生在英国的莱比锡煤矿。从此以后, 世界各地的煤矿 、硬岩矿山 、岩石地下工程等先后发生各种规模的岩爆 。特别是煤矿和硬岩矿山的地下开采,随着开采深度的不断增加,地应力随之增大,导致岩爆发生频率逐步提高,岩爆的破坏性也急剧加大 。中国最早记录的岩爆于 1933年发生在抚顺胜利煤矿,中国发生岩爆的历史较短。岩爆发生地点具有“随机性 ”、孕育过程具有“缓慢性 ”、发生过程具有 “突发性 ”,对生产安全和工程可靠性的危害极大,已经严重影响了矿山的正常生产。目前,国内外在岩爆方面做了大量的研究工作,但是,由于岩爆问题极为复杂,还没有成熟的理论和方法 。
按发生部位及释放的能量, 岩爆可分为以下三种类型:
(1) 围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆,这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈啪啪的响声,故被称为岩石射击。
(2) 矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆 (被称为矿山打击或冲击地压) 。
(3) 断层错动引起的岩爆。
(1) 岩爆的动力特征。
岩爆的动力特征是发出如鞭炮声、劈裂声、冰裂声或“啪、冰裂声或“啪、啪”嘎、嘎”“嘭、嘭”“闷雷”等声响,并伴随产生块体的弹射、抛掷、震动,硐顶岩爆块向下撒落时有一定散射角。
(2) 岩爆破裂面的力学特征。
岩爆形成的破裂面有平行硐壁的破裂面和与硐壁斜交的破裂面两种类型。平行于洞壁的破裂面属张性破裂面, 岩爆块爆裂断口由大致平行的多个平整面构成,面上附着极薄的小碎片,并常见垂直小陡坎,电镜扫描鉴定为沿晶拉花、穿晶拉花、沿化石表面拉开等几种形式。斜交洞壁破裂面与掘进方向有关, 与洞壁所夹锐角始终指向掘进方向。与洞壁斜交的破裂面属张剪性破裂面, 岩爆面平直, 可见放射状细沟、擦痕、擦阶, 电镜扫描鉴定为沿晶擦花、切晶擦花、擦阶、擦花等几种形式。
目前在岩爆发生机理研究中, 强度理论 、能量理论和冲击倾向理论占主导地位。岩爆发生机理研究是揭露岩爆发生的内在规律,确定岩爆发生的原因、条件和作用,是预测预报和控制岩爆发生的理论基础, 是国内外学术界和工程界的重要研究内容 。各国学者在实验室研究和现场调查的基础上,从不同的角度先后提出了:强度理论 、刚度理论、能量理论、岩爆倾向理论、“三准则 ”理论等一系列重要的理论,但这些理论只是依托于假设和经验。
(1)强度理论是人们借鉴传统力学有关材料强度的概念提出来的,该理论只给出了岩爆发生的必要条件,并未指出在什么条件下会发生岩爆。
(2)刚度理论认为矿山结构﹙矿体﹚的刚度大于矿山负荷﹙围岩﹚的刚度是产生岩爆的必要条件。但它未对矿山结构与矿山负荷系统的划分及其刚度给出明确的概念。
(3)能量理论从能量角度解释了岩爆的破坏机理,但它并未说明平衡状态的性质和破坏条件 。
(4)岩爆倾向理论的突出优点是岩爆倾向性评价所需数据主要是室内岩石力学试验结果, 是用一个或一组与岩石本身力学性质有关的指标衡量岩石的岩爆倾向强弱,它是一种既有效又经济的方法。缺点是这些指标的离散度较大。
(5)“三准则”理论是对强度理论 、刚度理论及能量理论的组合,该理论不具备可操作性。
国内外岩爆预测预报方法大致可分为理论分析法和现场实测法。
理论分析法在岩爆趋势预测方面具有一定的优越性,可圈定岩爆危险区域,确定合理的采矿工艺,为岩爆的防治提供决策依据 。理论分析法的判据有应力判据 、能量判据、冲击能量指数判据等等 。同时采用先进的数学方法,如模糊数学综合评判方法、人工神经网络等 。理论分析法发展至今, 通过借助先进的数学方法,已逐步实现由岩石试件岩爆倾向性预测向工程岩体岩爆趋势预测的功能扩展 。但由于目前对岩爆机理的认识还有待深入,因此已有的判据局限性也比较大 。
现场实测法是借助一些必要的仪器,对岩体直接进行监测和测试,来判别是否发生岩爆的可能,并指明岩爆发生的大致时间,以便及时撤退工作人员及设备,保证安全生产。现场实测法主要包括各种直接接触式方法和地球物理方法。直接接触式方法的主要优点是:经过多年应用,积累了大量的宝贵经验和基本数据指标,各指标直接从前方岩体中取得,具有较高的可靠度 。主要缺点是:预测的时间间隔太长,无法实现连续监测;预测过程要扰动和接触岩体,易诱发动力现象,安全性差;预测工作量大,预测费用高,受各种操作过程和作业人员因素影响大。目前应用地球物理方法监测预报岩爆灾害还正处在发展阶段,从近期看,其测试参数的依据不强,监测信息的可靠度不高,加之矿山要建立一套较为完善的地球物理监测预报系统,前期投入是很大的 。

岩爆防治措施大致可分为区域性防治措施﹙战略性﹚和局部解危措施﹙战术性﹚两大类 。区域性防治措施的基本原理就是尽可能避免采矿工作区域大范围应力﹙或应变能﹚集中, 使岩体内的应力﹙或能量﹚处于极限平衡状态以下,从而达到控制岩爆的目的。局部解危措施旨在对已形成破坏或具有潜在岩爆灾害的危险地段采取措施进行维护和控制。

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