中国岩石力学与工程学会中国岩石力学与工程学会中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）二二六年七月六年七月 锦屏水电站枢纽辅助洞工程(东端)高应力岩爆机理及对策汇报人：汇报人：汇报人：汇报人： 何满潮何满潮何满潮何满潮 教授教授教授教授锦屏水电站岩爆对策何满潮 汇 报 提 纲u岩爆的定义u岩爆与破坏的区别u岩爆的充要条件u岩爆能量的分类u复合型能量转化为中心的岩爆防治对策u锦屏水电站辅助洞高应力岩爆机理及对策锦屏水电站岩爆对策何满潮 u一般定义F岩爆一般指金属矿山、深埋隧道和洞室中所发生的的硬岩突发动力失稳灾害F岩爆(rock burst)是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种动力失稳地质灾害一、岩爆的定义锦屏水电站岩爆对策何满潮 u工程定义（何满潮，2004）F岩爆是指能量岩体沿着开挖临空面瞬间释放的非线性动力学现象 u能量岩体的概念F在一定条件下，含有自重、构造、地势等弹塑性能量的工程岩体F并不是所有能量岩体都发生岩爆，只有积蓄的能量满足岩爆发生条件时才发生岩爆锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆u破坏二、岩爆与破坏的区别13MPa13MPa40MPa160MPa40MPa160MPa13MPa40MPa160MPa40MPa160MPa130MPa130MPa10分钟后锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆发生的三条规律F能量的储存规律«能能量量与与埋埋深深、、地地应应力力、、地地质质构构造造等等有有关关，，深深度度越越大大，，能量聚集越大能量聚集越大«能能量量的的蓄蓄积积主主要要通通过过岩岩体体的的变变形形，，如如果果岩岩体体本本身身具具有有积积蓄蓄大大量量弹弹性性能能并并在在破破坏坏时时突突然然释释放放的的能能力力，，则则岩岩体体就会产生岩爆破坏就会产生岩爆破坏«这这种种聚聚积积能能量量的的特特征征往往往往与与岩岩体体本本身身固固有有的的物物理理力力学学有关，如我们通常定义的岩体冲击倾向性等有关，如我们通常定义的岩体冲击倾向性等三、岩爆的充要条件锦屏水电站岩爆对策何满潮 F能量释放的地质规律 当当开开采采空空间间附附近近存存在在着着破破碎碎带带和和软软弱弱带带等等地地质质弱弱面面构构造造时时，，由由于于在在能能量量积积蓄蓄和和释释放放的的空空间间分分布布上上存存在在着着明明显显的的不不均均匀匀性性，，在在软软弱弱面面处处能能量量释释放放梯梯度度和和速速率率均均较较大大，，这这也也意意味味着着在在该该处处所所释释放放的的能能量量很很容容易易克克服服周周围围煤煤岩岩体体的的阻阻力力，，从从而而形形成成突突然然、、猛猛烈烈的的岩岩爆爆失失稳稳破破坏坏锦屏水电站岩爆对策何满潮 F能量释放的工程规律«在在岩岩体体强强度度大大致致相相同同条条件件下下，，复复合合型型能能量量往往往往在在巷巷道道的的交岔处交岔处,工作面工作面等应力高度集中处释放等应力高度集中处释放«由工作面向后到变形稳定之间由工作面向后到变形稳定之间适应边能变化积聚区适应边能变化积聚区«由由于于放放炮炮所所产产生生的的震震动动波波，，极极易易诱诱发发岩岩体体间间出出现现摩摩擦擦失失稳稳破破坏坏；；其其经经巷巷道道自自由由面面反反射射叠叠加加后后所所形形成成的的稀稀疏疏波波也也会会造造成成巷巷道道两两帮帮出出现现明明显显的的拉拉破破坏坏，，加加之之在在岩岩体体内高应变能的作用下，岩爆发生的可能性就大大增加内高应变能的作用下，岩爆发生的可能性就大大增加 从从根根本本上上而而言言，，岩岩爆爆发发生生是是在在不不同同的的地地质质和和开开采采条条件件下下，，多多种种能能量量之之间间相相互互组组合合和和转转化化的的过过程程中中，，发发生生的的复复合型能量空间上非均匀积蓄和时间上非稳定转化的过程合型能量空间上非均匀积蓄和时间上非稳定转化的过程 锦屏水电站岩爆对策何满潮 u深部岩爆的能量类型 F固体能量F构造能量F顶板垮落能F液体能量F气体能量F复合能量四、岩爆能量的分类 锦屏水电站岩爆对策何满潮 F固体能量诱发型«在在高高地地应应力力的的作作用用下下，，深深部部煤煤岩岩体体内内蕴蕴藏藏着着巨巨大大的的压压缩变形能缩变形能«岩岩体体的的硬硬度度和和致致密密性性决决定定地地应应力力场场引引起起岩岩体体的的弹弹性性变变形形程程度度与与储储能能的的高高低低，，较较大大的的弹弹性性变变形形意意味味着着岩岩体体中中储存的能量较高储存的能量较高«由由于于开开挖挖扰扰动动的的影影响响，，会会使使煤煤岩岩体体内内原原有有的的能能量量重重新新分分布布，，从从而而形形成成部部分分区区域域内内能能量量集集中中，，过过高高的的能能量量集集中会促使岩爆的发生中会促使岩爆的发生F构造能量诱发型«地地质质构构造造对对岩岩爆爆影影响响的的实实质质是是：：残残余余应应力力集集中中在在断断层层、、褶褶曲曲和和局局部部异异常常地地带带，，因因此此地地质质构构造造带带内内岩岩体体积积聚聚了了大大量量的的能能量量，，当当受受开开挖挖影影响响时时，，容容易易形形成成构构造造型型岩岩爆爆发生发生 锦屏水电站岩爆对策何满潮 F顶板垮落能诱发型«岩层的硬度和厚度常用来研究顶板岩层发生岩爆的可岩层的硬度和厚度常用来研究顶板岩层发生岩爆的可能性能性«现场发生岩爆的地点，绝大多数是在厚而坚硬的顶板现场发生岩爆的地点，绝大多数是在厚而坚硬的顶板中，并且导致发生岩爆的临界深度较浅。
这是因为中，并且导致发生岩爆的临界深度较浅这是因为Ø厚而坚硬的顶板整体性好，不易及时垮落或垮落的高度不充分，容易造成采动应力、二次应力、构造应力等叠加，形成高的叠合支承压力Ø随着顶板悬露面积的增大，工作面岩体的附加载荷增加，岩体处于非稳定状态Ø当岩体裂隙发展到失稳，顶板内积聚的能量足以使岩层发生突然断裂时，便形成异常剧烈的岩爆发生锦屏水电站岩爆对策何满潮 F液体能量诱发型«如如果果在在开开挖挖巷巷道道附附近近存存在在着着高高承承压压水水时时，，在在高高地地应应力力的作用下，水体中也会蕴藏一定的能量的作用下，水体中也会蕴藏一定的能量«在在外外界界开开挖挖扰扰动动的的影影响响下下，，过过大大的的水水压压亦亦会会诱诱发发岩岩体体的的突突然然破破坏坏当当然然，，有有时时高高压压水水也也会会沿沿顶顶底底板板破破裂裂带带突然涌入开采空间，从而造成突水灾害突然涌入开采空间，从而造成突水灾害F气体能量诱发型«岩岩层层中中有有时时蕴蕴含含着着大大量量的的气气体体，，在在高高地地应应力力的的作作用用下下，，气体以液态和气态两种形式存在气体以液态和气态两种形式存在«由由于于开开挖挖扰扰动动的的影影响响，，一一旦旦使使其其周周围围的的岩岩体体发发生生卸卸荷荷，，气气体体就就会会发发生生突突然然膨膨胀胀，，由由液液体体直直接接转转化化成成气气态态，，释释放出大量的能量放出大量的能量«当当释释放放的的能能量量足足以以破破坏坏岩岩体体整整体体结结构构的的稳稳定定性性时时，，就就会诱发岩爆的发生，并往往伴随大量气体突出会诱发岩爆的发生，并往往伴随大量气体突出F复合能量诱发型锦屏水电站岩爆对策何满潮 以上五种单一能量源均有可能诱发岩爆，但岩爆现象是岩体在变形过程中的一个稳定态积蓄能量向非稳定态释放能量转化的非线性动力学过程 尤其是进入深部后，巷道围岩体的变形破坏表现出明显的非线性特征 从单一能量源分类诱发岩爆来进行岩爆的机理研究是很难系统的摸清其发生本质，只有从上述五种能量源的组合及其之间转化特征出发，发展复合型能量转化为中心的岩爆分类体系，才能够彻底地从能量本源角度认清岩爆发生的机理，并对其提出行之有效的防治措施 锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆防治的三大关键 F正确地确定岩爆的能量复合型 F有效地进行复合型能量的转化和释放F合理地运用复合型能量转化和释放技术 岩爆的的形成和发生，实质上是巷道围岩在井下深部各种能量场作用下产生的非线性动力学过程。
通过从判断复合能量积聚状态入手，分析冲击类型，进行一系列对策设计和过程优化设计，实现能量的释放和转化，最终达到变被动防爆为人工主动防爆，变滞后防爆为超前防爆的目的五、复合型能量转化为中心的岩爆防治对策锦屏水电站岩爆对策何满潮 F以能量转化为核心的“双控”防爆技术对策 超超前前控控制制双双控控防防爆爆技技术术体体系系工工作作面面气、固、液、气、固、液、 顶板能量顶板能量 释放、转化释放、转化瓦瓦 斯斯 预预 抽抽 放放 岩岩 体体 软软 化化爆爆 破破 卸卸 压压及及 时时 切切 顶顶巷巷 道道进行能量转移进行能量转移气气、、固固、、液液能能量释放和转化量释放和转化注注 浆浆 加加 固固岩岩 体体 卸卸 压压注注 水水 软软 化化松松 动动 爆爆 破破瓦瓦 斯斯 抽抽 放放交叉点、大断面、交叉点、大断面、硐室群防冲设计硐室群防冲设计巷道防爆支护巷道防爆支护吸收能量、吸收能量、 以柔克刚以柔克刚超超前前控控制制防防爆爆设设计计能量转移、能量转移、 安全开采安全开采防防爆爆设设计计优优 化化 布布 置、置、 合理开采参数合理开采参数锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆发生工程地质条件F埋深 2000m 垂直地应力 38.02MPaF处于大水沟复型背斜F盐塘组大理岩和泥质灰岩，单轴抗压强度 110MPaF人工钻爆法掘进F支护形式«喷射钢纤维混凝土喷射钢纤维混凝土 + 锚网锚网F断面尺寸«A洞洞 宽宽 高高 = 7m 6.76m«B洞洞 宽宽 高高 = 8.58m 7.35mF洞内每隔800m布设一横通道，与洞轴线交角为40六、锦屏水电站辅助洞高应力岩爆机理及对策锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆产生的分区0500100015002000 2500 300035004000130018002300280033003800I 区II 区III 区h > vh < v < [c] > [c]稳定区过渡区岩爆区高程(m)洞深(m)锦屏水电站岩爆对策何满潮 u地应力随洞深变化特征0500100015002000250030001020304050地应力(MPa)洞深(m)向斜核部背斜核部次级向斜次级背斜锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆特点F岩爆多在新开挖工作面附近发生F岩爆部位以拱部或腰部为多 F横通道与主洞相交处、断面不规则处、二次扩挖段均为岩爆多发地段F岩爆时间多在爆破后2~3小时，24小时内最为明显F新鲜坚硬岩一般在隧洞工作面发生表部岩爆F低强度岩体则之后工作面发生深部冲击型岩爆，造成洞内临空面冲击力最大F同一部位反复发生岩爆，可持续几天F地下水较丰富的地段，开挖面一旦无水，依然有岩爆发生锦屏水电站岩爆对策何满潮 u岩爆产生的能量机理F固体能量诱发型F构造能量诱发型F复合型能量机理锦屏水电站岩爆对策何满潮 u释放能量为中心的岩爆控制对策F超前深孔爆破，释放能量F超前高压注水软化，释放能量F台阶式分步开挖，逐步释放能量F双向聚能爆破新技术，消除曲率效应F采用新型锚网索耦合支护技术F加强洞室交叉点支护F防止底部岩爆锦屏水电站岩爆对策何满潮 u关键技术F超前高压注水软化大理岩水理作用特征曲线锦屏水电站岩爆对策何满潮 u关键技术F双向聚能爆破新技术XOY XOY 平面上平面上 聚能模型聚能模型双向聚能爆破效果锦屏水电站岩爆对策何满潮 u关键技术F锚网索耦合支护技术锚网索耦合支护改变岩体边界条件A AC CB BA,DA,DB BC C 1 1 3 3D D锦屏水电站岩爆对策何满潮 F围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转化过程F实测巷道断面锚固力分布1——1——掘进锚喷后围岩应力状态掘进锚喷后围岩应力状态2——2——锚网耦合设计作用后应力状态锚网耦合设计作用后应力状态3——3——应力转化中性点应力转化中性点4——4——应力变化趋势应力变化趋势锦屏水电站岩爆对策何满潮 u关键技术F底角异形锚杆，切断两帮应力向底板传递锦屏水电站岩爆对策何满潮 分步弱化剪应力变化图40GPa30GPa10GPa3GPa锦屏水电站岩爆对策何满潮 分步弱化顶板剪应力变化曲线弱化区开挖区正常区锦屏水电站岩爆对策何满潮 弱化区开挖区正常区分步弱化顶板剪应力变化曲线锦屏水电站岩爆对策何满潮 分步弱化断面周围剪应力分布变化图锦屏水电站岩爆对策何满潮 分布弱化断面周围应力扰动区变化图锦屏水电站岩爆对策何满潮 弱化区分步开挖剪应力分布变化图锦屏水电站岩爆对策何满潮 岩层软化后分步开挖顶板剪应力变化曲线锦屏水电站岩爆对策何满潮 直接开挖与软化后分步开挖顶板剪应力变化对比锦屏水电站岩爆对策何满潮 。