摘要：在地下硬岩矿山的开采过程中，经常会出现岩爆现象，岩爆是一种具有相当危害性的矿山工程地质灾害。随着目前我国各大矿山相继进入深部开采阶段，对于岩爆灾害的研究也日趋重要。因此，本文就矿山深部硬岩开挖过程中引发岩爆的产生机理、超前预报、控制技术四个方面进行了归纳分析与评述，并对岩爆问题未来的研究方向和重点提出了几点建议。
关键词：硬岩矿山；深部开采；岩爆灾害；岩爆监测预报
1 引言
近年来，随着社会发展的需求和各矿山的生产现状，地下矿山的开采已开始逐步向更深的岩层延伸。因此，岩爆现象的发生愈发频繁，产生的后果也愈发严重。在这样的工程背景下，国内外许多学者都对岩爆问题有了广泛的关注。但是，目前的岩爆预测水平还做不到准确预报岩爆发生的位置和时间，对岩爆的控制能力也达不到安全高效开采的工程要求。本文对国内外岩爆研究现状进行了归纳总结，并对岩爆问题未来的研究方向和重点提出了几点建议。
2 岩爆的发生机理
依托于现场调查、理论假设、工程经验、实验室研究，各国学者从不同的角度先后提出了不同的岩爆机理的理论，其中最为广泛接受的理论主要有以下几种。
（1）最大主应力强度理论：通过对岩爆工程实例表明的总结与分析发现，岩爆现象大多同时发生在沿巷道中心轴的两侧或顶底板两处，这两处的连线通常与巷道原岩应力场的最大主应力方向垂直。基于这一现象，形成了最大主应力强度理论，即认为岩爆发生在巷道开挖后最大主应力处[1]。该理论虽然给出了岩爆发生的原因，但是未从工程意义上给出岩爆发生的具体条件。
（2）刚度理论：该理论认为当矿山结构所承受的荷载超过其峰值强度后，变形曲线下降段的刚度大于围岩加载系统的刚度是产生岩爆的必要条件[2]。刚度理论虽然简单、直观，但不适合用于工程实际，并且它未对矿山结构与围岩加载系统的刚度给出明确的概念。
（3）能量释放理论：该理论的基本思想是岩爆的产生是由于围岩系统中所释放出的能量大于破坏所消耗的能量。Cook通过对南非许多深井岩爆现象的研究，建立了能量释放率与岩爆发生率的关系[3]。
（4）岩爆倾向理论：根据岩石力学性质指标衡量来岩爆倾向的强弱。按照指标的不同可分为两种，一种是弹性能指标，它通过对岩样进行单轴抗压实验，当应力达到岩石单轴抗压强度的80%~90%时卸载应力，然后记录应力-应变的变化曲线，通过图形积分法求出弹性变形储能与塑性变形耗能之比，该比值即为岩爆倾向指数 [4]。另一种是冲击能指标，它通过岩样单轴抗压实验获得岩样的全应力-应变曲线，用图形积分法求出峰值应力左右两部分曲线与应变轴围成的面积，用两个面积的比来判定岩爆的倾向性。这种方法既有效又经济，但是该方法所确定的指标离散度较大。
综上所述，目前这些理论从不同的角度阐述岩爆发生的机理，让我们对岩爆现象有了一定的认识，但这些理论都有各自的局限性，目前还不能根据这些理论对各类施工过程中出现的不同岩爆现象做出概括的、合理的解释，因此也制约了对岩爆的超前预报和控制技术的发展。
3 岩爆的预测方法
目前，应用于金属矿山岩爆现场监测与预测预报的方法有很多，但是由于岩爆预测问题极为复杂，目前没有一整套成熟的理论和方法。这里将现有的几种主要预测方法分为两类，分别进行评述。
3.1直接接触式方法
直接接触式方法即通过向采掘工作面打钻来测量反映应力状态的参数，并根据经验和已有的理论进行预测，具体的测量仪器有钻孔应力计、光弹应力计、光弹应变计、压力盒、收敛计、位移计、等等。通过这些测量仪器所测得的数据进行分析计算，并且依据岩爆发生的机理，对测量区域是否发生岩爆、发生什么等级的岩爆进行预判。
直接接触式方法的主要优点是：经过多年工程应用，积累了大量的经验和基本数据指标，各指标直接从工程岩体中获得，具有较高的可靠度。其主要缺点是：一方面，预测的过程麻烦且时间间隔太长，无法实现连续监测，而且信息量少，偶然性大。另一方面，预测过程中需要直接接触岩体，易诱发动力扰动现象。
3.2地球物理方法
地球物理方法是通过精密仪器对岩体突然破裂发出的前兆信息用进行采集与分析，目前主要有以下几种。
（1）微震法：在深部高地应力环境下的采矿活动往往会诱发频繁的微震。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆采用微震监测系统对矿山微震信号进行监测是国际上常用的方法之一。微震事件的定位精度随着设备性能的改进和信号识别功能的增强，目前已实现了微震监测数据从井下到地表的远距离传送。
（2）声发射法：声发射事件发生的频率、信号特征及伴随能量等信息可以作为岩爆事件发生的先兆。国内外岩石的声发射技术的应用日益广泛，并且研制成功了许多应用于不同目的的声发射监测系统。但是由于声发射理论上尚不完善，技术上遇到了干扰噪声的分离等一些棘手的问题。因此，要使岩石的声发射技术成为一种成熟的监测与预报岩爆现象的手段，还需要进行大量的工作。
（3）电磁辐射法：依据完整岩石在压缩过程中的弹性范围内不产生电磁辐射，但峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测岩体变形破裂过程中发出的电磁辐射 “脉冲” 信号，通过数据处理和分析研究来预报岩爆。目前，该方法主要应用于煤矿的岩爆的监测预报。
地球物理方法的优点是将灾害发生的前兆信息通过传感器转化为数字化信息，克服了直接接触式监测预报方法的局限性，并具有可以在全国甚至全球范围内通过互联网实现前兆数据的分布式共享，建立多维岩爆灾害监测系统的发展前景。但目前地球物理方法监测预报岩爆灾害还正处在发展阶段，从短期看，其测试参数的依据不强，监测信息的可靠度不高，并且矿山要建立一套较为完善的地球物理监测预报系统，前期投入很大。
4 岩爆的控制技术
经过长期实践，人们已经摸索出一些岩爆控制手段，具体包括以下几个方面。
（1）对围岩特性加以改善。主要是通过向开挖掌子面喷射高压水或通过超前钻孔向围岩均匀注入高压注水等措施。注入的高压水的一方面可以软化、降低岩体的强度，另一方面可产生新的裂隙并促进已有裂隙的发展，从而使得岩体内储存的弹性应变能减少。
（2）改善应力状态。采用松动爆破和分步开挖等方法，使岩体应力降低，保证岩体内储存的能量在开挖前释放。
（3）采取合理的支护方式。合理支护是减少矿震和岩爆效应的最重要策略之一，支护方式主要分为局部支护和区域支护。局部支护一般采用的支护形式有普通锚喷支护、钢纤维喷锚支护、柔性钢支架支护等；区域支护是通过支护来减少采空区的闭合率以及矿房的应力集中，以增加采空区的稳定性。
（4）采取合理的开采设计方案。在采矿设计时考虑到开拓布置、采场大小、回采顺序、采空区处理等问题对岩爆的影响，通过合理的设计方案和布局达到控制岩爆灾害的目的。
5 结束语
目前人们对岩爆的了解还没有达到能满足安全高效生产的要求，因此，还需要相关行业的学者们进行大量的努力。本文通过综合分析目前已有的岩爆的发生机理、预测和控制手段，对未来岩爆问题的进一步研究提出以下建议：
（1）岩爆的发生机理目前尚无最佳的解释，因此还需进一步研究。
（2）岩爆是开采活动导致的工程灾害，因此研究方向必须重视岩爆与开采过程的结合。
（3）岩爆的发生与地震具有相似之处，目前地震的预测与预报已日趋成熟，因此，要重视借鉴地震学的相关理论来研究岩爆的预测与预报。
（4）岩爆的包括了岩体弹性阶段的应变能积累和岩体峰后阶段的能量释放，因此，对岩体变形的全过程的力学参数、声发射特征和电磁辐射特征的研究具有重要意义。
（5）岩爆监测预报需要依据岩石力学参数、现场监测等的相结合来建立岩爆综合预报体系。
参考文献：（References）：
[1] Hoek E，Brown E T.Underground excavation in rock.London：Institution of Mining and Metallurgy，1980
[2] 王文新，潘长良，冯涛.确定岩石岩爆倾向性的新方法及其应用.有色金属设计，2001，28（4）：42-46
[3] Cook N G W.An industry guide to the amelioration of hazards of rockbursts and rockfalls.Chamber of Mines of South Africa，1978
[4] 李庶林，唐海燕.岩爆倾向性评价的弹性应变能指标法.矿业研究与开发，2005，25（5）：16-18
论文作者:逄凤吉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/3
标签：应力论文; 理论论文; 矿山论文; 方法论文; 围岩论文; 电磁辐射论文; 机理论文; 《基层建设》2018年第33期论文;