巖爆判據與監測預測技術研究進展

黃 寧,盧海珠,彭 庚,汪曉霖,尹里剛,張曉悟

(1.中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司,湖北 武漢 430080)(2.湖北興發化工集團有限公司,湖北 宜昌 443000)(3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,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 512000)

0 引 言

巖爆,本質上是地下巖體在內部構造應力和外部采動應力共同作用下,由靜態平衡向動態失穩轉變,并伴有突發巖石飛濺、能量突變等現象的過程[1-2]。自21世紀以來,我國工業發展規模實現跨越式增長,隨之引發的礦產資源、隧道工程等行業逐漸由近地向深地擴張,進而導致巖爆災害在現場施工過程中屢見不鮮。

迄今為止,巖爆的發生機理在工程學術界尚無統一定論。Kidybiński等[3]早在1981年提出了巖爆傾向性理論,該理論認為巖體本身就擁有儲存能量和抵抗破壞的能力,當巖石介質所受壓力和所儲應變能超越閾值時,即發生巖爆。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為當巷道圍巖的能量釋放速率大于能量儲存速率,將會發生巖爆。Obert 等[5]基于材料強度準則提出了巖爆強度理論,其認為巖體所受的極限強度超過最大抗壓強度,巖體內部將會發生破壞。Hoek E等[6]于1966年基于剛度理論和突變理論提出分形失穩理論,該理論考慮的是整個系統的穩定性,從剛度超限和突變失穩兩個角度研究巖體失穩的破壞形式。

在具體工程實例中,根據巖爆發生機理可將巖爆現象分為3類[7]:應變型巖爆、巖柱型巖爆和斷裂型巖爆,其中斷裂型巖爆后果最嚴重,巖柱型巖爆次之。應變型巖爆[8]多見于地質體內部最大主應力和最小主應力比懸殊的巖體中,多發生于褶皺或臨近斷層地帶,在研究過程中應優先關注地質條件、埋深和巖體介質參數。巖柱型巖爆[9]常見于多條巷道或多個采場交匯處的巖柱,與實際工程背景和掘進開采工藝息息相關。斷裂型巖爆[10]從嚴格意義上講屬于應變型巖爆加劇的一種模式,在應變型巖爆中未考慮巖體內部的節理裂隙,但在實際巖體中,節理裂隙對巖爆的發生具有加劇的作用。

盡管巖體巖爆機理和表現形式不一,但在其破壞時均表現出應力的轉移和能量的傳遞[11]。因此,采取不同的監測預測技術對巖爆發生前兆進行超前監測與預警是降低損傷的最直接、最有效的方法。如何準確獲取巖爆前兆的物理信號并判斷巖爆發生的傾向是監測技術發展的重要方向。本文從巖爆的動態時空關系出發,揭示了理論指標和現場監測兩方面的各類巖爆監測、預測技術的工作原理及應用現狀,分析了其優缺點及適用條件,并分析了各監測技術方案之間的關聯性。

1 理論指標判據法

為研究巖爆發生傾向性,諸多學者通過理論分析,提出各類理論判定標準,根據查閱文獻和筆者認知,可將巖爆理論判據分為單指標判據和綜合指標判據。

1.1 單指標判據法

1.1.1 巖石固有性質判據

表1 巖爆能量預測判據指標

表2 巖爆脆性預測判據指標

巖石儲能和脆性均是巖石自身屬性,當這兩種屬性達到強烈巖爆標準時,具體何時發生巖爆、發生多大范圍的巖爆還與巖石的賦存條件、開發方式和支護方式有關,需要進一步研究探討。

1.1.2 應力條件判據

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

表3 巖爆應力預測判據指標

1.1.3 圍巖地質條件判據(RQD指標)

巖體圍巖是巖體外部應力的主要來源,對巖體巖爆發生傾向及等級至關重要。一般而言,圍巖完整性越好,能儲存的應變能越大,越不易發生應力集中和能量積聚現象,越不容易發生巖爆。根據圍巖等級分類,國內外多采用RQD指標對巖爆進行分級判別:(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,強巖爆。

1.2 綜合指標判據法

1.2.1 范正綺判據指標

范正綺等[28]通過大量的現場工業性試驗監測發現一套適用于硬巖巖體的巖爆判據指標,其認為只有當巖爆傾向和圍巖應力同時滿足相應指標才能發生巖爆,判據如公式(1)～(3)所示。

σθ≥kσc

(1)

Wet≥5

(2)

k=f(σ1,σθ)

(3)

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

1.2.2 秦嶺隧道指標

谷明成等[29]學者通過在秦嶺隧道展開現場巖爆監測預測研究,針對此處的巖爆發生可能性提出理論判據,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,Wet為彈性能量指數。

1.2.3 張鏡劍判據指標

張鏡劍等[30]在實際研究中發現陶振宇提出的σθ/σ1≤14.5的巖爆發生判據的閾值較低,而谷明成提出的σθ≥0.3σc較高,為了充分準確的判斷預測指標在各類巖體巖爆中的普適性,張鏡劍在兩位學者的基礎上將秦嶺隧道指標略作調整,提出了較為一種較為綜合的判據指標,如式(8)所示。

σθ≥0.15σc

(8)

1.2.4 RVI判據指標

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

RVI巖爆判據指標由4個控制因子構成,結合了巖爆強度理論、剛度理論和能量理論中所提出的巖體剛度因子FM、應力因子FS、巖體構造因子FG和巖石因子FR,公式中分別體現不同巖爆因子對巖爆傾向性的貢獻。RVI 判據指標和了爆坑深度計算公式如式(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)判據指標

尚彥軍等[32]在建立應變型巖爆模型的基礎上,采用現場調研、數理統計以及數值模型等多種研究手段,提出了最大切應力σθ、巖石抗拉強度σt和巖體完整性kv作為巖爆的3個獨立參數指標,并根據歷史經驗數據擬合出了巖爆勢表達式(Prb),如式(11)所示,以此表征巖爆的發展趨勢和風險等級。

Prb=(σθ/σt)Kv

(11)

當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,強巖爆。

2 現場監測判據法

2.1 超前宏觀監測法

超前宏觀監測法最初是通過經驗豐富的現場作業人員采用“聽”和“看”的方式對超前工作面進行現場巡查,結合巖爆發生的物理特征,進行初步預判。而后隨著時間發展,施工單位通過對現有類似工程或類似地質條件的巖爆事故進行統計分析,監測與巖爆相關的特殊地質現象(如巖體內部巖芯餅化程度,應力-應變曲線異常等),最后對巖爆發生的傾向性進行預測[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相吻合,進而佐證了超前宏觀監測法的有效性。但該方法受到同等地質條件且相同的工程案例數據庫,且在預測方面受人為經驗影響較大,其準確性和穩定性往往不能與實際相匹配。

2.2 鉆屑量法

鉆屑量法是根據巖體小孔徑鉆孔施工過程中每米進尺時的排粉量變化規律和造孔期間的動力現象,揭示巖體應力集中狀態并據此預報巖爆。通常,具有巖爆危險部位的鉆孔排粉量劇增至正常值10倍以上,當排粉量為正常值2倍以上時則認為存在巖爆危險。

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

圖1 鉆屑量-鉆井深度

2.3 微重力法

微重力法的力量基礎是脆性巖石的“擴容”,巖體在外部荷載和采動二次地應力條件下發生損傷破壞,內部由于裂隙的產生,體積會進一步增大。此時巖石的微重力異常變化呈現由正到負的趨勢,臨近巖爆發生時的巖石負重力異常達到極值,故借助微重力變化量可以判斷巖爆發生與否。當重力異常長期為正異常水平,表明巖爆發生可能性小[35]。

Bieniawski等[36]在實驗室力學試驗的基礎上,建立了微重力“擴容”模型,將巖樣在外部荷載條件的5個應力-應變體征與5個擴容階段相對應,解釋了巖體在破壞前微重力異常與巖爆發生傾向的相互作用關系。此方法受外部溫度、濕度和巖體賦存條件等環境因素影響較大,在實際工程應用中局限性大。

2.4 巖體電磁輻射監測法

早在20世紀40年代初,國外知名學者Urusovskaja在研究KCL斷裂行為的過程中,發現固體介質在衍生斷裂裂隙時會產生電磁輻射現象。Maniak等[37]通過監測花崗巖在外部動態荷載加載條件下的電磁輻射特征,發現電磁輻射強度與脈沖數分布規律與巖體破壞特征同步,隨著巖體的彈性壓縮階段、峰值強度階段、軟化階段表現出由弱至強再至弱的演化過程。

國內周春華等[38]學者將巖體電磁輻射監測方法廣泛應用于長深隧道、水蓄能電站領域的工程實踐中,通過“區域靜態”的電子輻射監測方法揭示了電子輻射強度和脈沖數在硬巖巷道中表現出上、下部低,巷幫中部高的普遍特性,如圖2、3所示,并且進一步表明電磁輻射強度在斷層、褶皺等不同地質構造下空間分區特征顯著,即電磁輻射在相對完整的巖層中輻射強度高且變化幅度大,在特征發生突變時,將有可能發生巖爆。

圖2 電磁強度時空分布圖

圖3 脈沖數時空分布圖

2.5 紅外熱線法

紅外輻射是物體介質在熱交換過程中產生的一種物理現象,是一種熱力學性征。巖體在產生應變的過程中會有顯著的溫度升高現象,當散發出的紅外溫度異常時,表明巖體發生破壞。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生巖爆的一種前兆特征。但采用紅外熱成像技術對巷道、采場的圍巖進行巖爆監測的可操作性尚有待深入研究。目前該項技術尚在室內模擬試驗研究階段,現場應用還不成熟。

2.6 聲發射監測法

巖體由于外部荷載的作用,產生裂縫擴展、塑性變形或者相變而釋放“應力波”的過程被稱為聲發射[39]。聲發射監測(acoustic emission,簡稱AE)又稱地音法,是通過接收并分析巖體內部傳出的“聲”信號事件數和能率,判定巖體內部結構的演化規律。

羅丹旎等[40]設計了單裂隙花崗巖真三軸單面臨空試驗,采用高速攝像系統和聲發射系統聯合監測不同產狀巖石的聲發射演化特性,揭示了裂隙產狀與巖爆彈射動能的關系,研究成果為裂隙巖石的巖爆災變機制和聲發射監測的有效性提供了科學依據。王亞磊等[41]認為對巖爆等級進行精準分級是巖爆災害預警的重要基礎,其采用聲發射監測不同方向條件下巖樣單軸壓縮試驗的聲發射特征,巖石應力-應變與聲發射事件數、能率之間的關系如圖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射能量Eq與最終破裂后的累積聲發射能量E之比的巖爆等級預判方法。

圖4 應力-應變與聲發射事件數、能率關系

巖爆的災變過程是一個能量累積的過程,能量的累積過程是一個聲發射平靜期,在此期間聲發射信號的暫時平靜是巖爆災害發生的前兆。且巖爆前平靜期的聲發射是一個高頻率、低能量的傳播事件(能量發出頻率高、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、微震與聲發射頻率的關系[42]

2.7 微震監測法

微震監測技術是現行的一種高科技、信息化的地下工程巖體監測技術。微震是指目標巖體在外力作用下,材料內部的一個或多個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,通過分析蘊含在巖體內部的微震數據,能夠得到巖體在破壞演化過程中應力和能量的傳遞信息,可以從側面推演出巖體的穩定性和破壞機理。

李庶林[42]于2003年建立起全國第一套全數字型64通道微震監測系統,并應用于凡口鉛鋅礦的地壓監測,實現了對該礦深部采區的地壓控制。唐禮忠等[43]引進南非ISSI公司的ISS微震監測系統以建立冬瓜山深井開采微震監測系統,系統監測出的巖體活動特征如圖6所示,該系統的設計與礦山采礦方法設計同步進行,不僅實現了對該礦開采過程的巖體動態響應的連續監測,更進一步證明了微震監測在礦山地壓控制領域的可靠性,為我國深井巖爆的安全管控提供了方向。

圖6 微震活動特征

和聲發射技術相比,微震監測技術利用的是一種低頻率、高能量的震動,具備監測范圍廣、地域深的特點。經過幾十年科技的發展,微震監測技術已經具備成套的巖爆監測預測系統,在我國物探及監測領域得到廣泛應用,但監測過程中易受“虛假信號”的干擾,對信號的譯碼需要進一步研究。

3 其他監測、預測方法

3.1 數值指標監測、預測

除了應用廣泛的理論判據和現場監測方法外,國內外諸多學者通過對大量的巖爆災害進行調研分析,并結合能量理論提出了能量釋放率(ERR)[44]、超前應力(ESS)[45]、巖爆傾向指數(BPI)[46]、局部能量釋放密度(LERD)[47]、相對能量釋放指數(RERI)[48]等數值監測指標。

從上述數值指標可以看出,巖爆數值指標的發展逐步由靜力學向動力學發展,從單一的礦山巖爆指標向全方位、全賦能綜合指標發展,從無法表征巖體破壞的彈性模型(ERR、BPI、LERD)向可以表征巖體發生巖爆的彈(脆)性模型(RERI)邁進。

3.2 應用數學監測、預測

應用數學法監測、預測主要依賴于巖爆工程案例和巖爆理論預測指標。依托于巖爆工程案例的監測、預測法[49-51]主要包括:BP神經網絡綜合訓練法、支持向量機法、Fisher判別分析法、Bayes判別分析法和高斯過程法。在理論預測指標的基礎上進行綜合預測的方法包括模糊數學法、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算方法。

預測方法中的前者主要將試樣巖石各項力學參數通過巖爆指標判據公式進行多次訓練,將其與待評估的試驗巖石形成非線性曲線進行對比,進而判別巖爆風險等級;后者主要通過現有理論判據指標進行判別。

4 結 論

由于我國深地采礦的必然性和巖爆災害的復雜性,“巖爆”控制已成為巖石力學領域學者面臨的首要難題。為幫助諸多學者對巖爆發生的機理和監測、預測手段的清晰認識,本文對國內外暫行的巖爆形成機理進行了梳理,對現有的監測、預測方法進行了分析總結,得出以下結論:

(1)巖爆理論、機理明確化:理論是一切監測及防治手段的基礎,當前盛行的能量理論、剛度理論、強度理論、傾向性理論等學說均僅適用于某些特定地質條件或者某種實驗狀態,不具備普適性。因此,為確保監測手段和防治方法的有效、準確,對巖爆發生機理和理論支撐應做進一步研究明確。

(2)巖爆監測方法智能化:現有的監測手段中聲發射和微震監測能夠較為準確的對巖體活動行為及特征進行評判,但均易受外部“假信號”的干擾。系統如何實現智能自動識別、屏蔽甚至剝離虛假信號是聲發射和微震監測系統的一大難題。

(3)巖爆預測指標綜合化:巖爆活動傳遞的信號包括應力、應變、能量等等,單一指標判據預測很難實現對巖爆風險等級的準確評估。隨著科學技術的發展,采用BP神經網絡、灰色理論等現代化計算模型建立綜合指標預測體系能夠準確地對巖爆發生傾向進行預測。

(4)監測、預測手段即時化、集成化:從目前國內外的巖爆研究現狀可以看出,僅僅采用傳統的、單一的監測技術和預測判據難以滿足工程需要。為達到穩定、準確、可靠地監測巖爆活動的目的,將理論指標判據法和現場監測判據法進行綜合應用是必然的,采用即時的、先進的數值和應用數學監測預測方法進行輔助驗證是巖爆風險評估的未來發展趨勢。