锦屏水电站岩爆对策(何满潮)

中国岩石力学与工程学会中国矿业大学（北京）二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：何满潮教授汇报提纲岩爆的定义岩爆与破坏的区别岩爆的充要条件岩爆能量的分类复合型能量转化为中心的岩爆防治对策锦屏水电站辅助洞高应力岩爆机理及对策一般定义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岩爆(rockburst)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工程定义（何满潮，2004）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能量岩体的概念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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岩爆破坏二、岩爆与破坏的区别13MPa13MPa160MPa160MPa13MPa160MPa160MPa130MPa130MPa10分钟后岩爆发生的三条规律能量的储存规律能量与埋深、地应力、地质构造等有关，深度越大，能量聚集越大能量的蓄积主要通过岩体的变形，如果岩体本身具有积蓄大量弹性能并在破坏时突然释放的能力，则岩体就会产生岩爆破坏这种聚积能量的特征往往与岩体本身固有的物理力学有关，如我们通常定义的岩体冲击倾向性等三、岩爆的充要条件能量释放的地质规律当开采空间附近存在着破碎带和软弱带等地质弱面构造时，由于在能量积蓄和释放的空间分布上存在着明显的不均匀性，在软弱面处能量释放梯度和速率均较大，这也意味着在该处所释放的能量很容易克服周围煤岩体的阻力，从而形成突然、猛烈的岩爆失稳破坏能量释放的工程规律在岩体强度大致相同条件下，复合型能量往往在巷道的交岔处,工作面等应力高度集中处释放由工作面向后到变形稳定之间适应边能变化积聚区由于放炮所产生的震动波，极易诱发岩体间出现摩擦失稳破坏；其经巷道自由面反射叠加后所形成的稀疏波也会造成巷道两帮出现明显的拉破坏，加之在岩体内高应变能的作用下，岩爆发生的可能性就大大增加从根本上而言，岩爆发生是在不同的地质和开采条件下，多种能量之间相互组合和转化的过程中，发生的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深部岩爆的能量类型固体能量构造能量顶板垮落能液体能量气体能量复合能量四、岩爆能量的分类固体能量诱发型在高地应力的作用下，深部煤岩体内蕴藏着巨大的压缩变形能岩体的硬度和致密性决定地应力场引起岩体的弹性变形程度与储能的高低，较大的弹性变形意味着岩体中储存的能量较高由于开挖扰动的影响，会使煤岩体内原有的能量重新分布，从而形成部分区域内能量集中，过高的能量集中会促使岩爆的发生构造能量诱发型地质构造对岩爆影响的实质是：残余应力集中在断层、褶曲和局部异常地带，因此地质构造带内岩体积聚了大量的能量，当受开挖影响时，容易形成构造型岩爆发生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能性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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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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液体能量诱发型如果在开挖巷道附近存在着高承压水时，在高地应力的作用下，水体中也会蕴藏一定的能量在外界开挖扰动的影响下，过大的水压亦会诱发岩体的突然破坏。当然，有时高压水也会沿顶底板破裂带突然涌入开采空间，从而造成突水灾害气体能量诱发型岩层中有时蕴含着大量的气体，在高地应力的作用下，气体以液态和气态两种形式存在由于开挖扰动的影响，一旦使其周围的岩体发生卸荷，气体就会发生突然膨胀，由液体直接转化成气态，释放出大量的能量当释放的能量足以破坏岩体整体结构的稳定性时，就会诱发岩爆的发生，并往往伴随大量气体突出复合能量诱发型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岩爆防治的三大关键正确地确定岩爆的能量复合型有效地进行复合型能量的转化和释放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以能量转化为核心的“双控”防爆技术对策超前控制双控防爆技术体系工作面气、固、液、顶板能量释放、转化瓦斯预抽放岩体软化爆破卸压及时切顶巷道进行能量转移气、固、液能量释放和转化注浆加固岩体卸压注水软化松动爆破瓦斯抽放交叉点、大断面、硐室群防冲设计巷道防爆支护吸收能量、以柔克刚超前控制防爆设计能量转移、安全开采防爆设计优化布置、合理开采参数岩爆发生工程地质条件埋深2000m垂直地应力38.02MPa处于大水沟复型背斜盐塘组大理岩和泥质灰岩，单轴抗压强度110MPa人工钻爆法掘进支护形式喷射钢纤维混凝土+锚网断面尺寸A洞宽高=7m6.76mB洞宽高=8.58m7.35m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岩爆产生的分区05001000150020002500300035004000130018002300280033003800I区II区III区hvhv[c][c]稳定区过渡区岩爆区高程(m)洞深(m)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岩爆特点岩爆多在新开挖工作面附近发生岩爆部位以拱部或腰部为多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岩爆时间多在爆破后2~3小时，24小时内最为明显新鲜坚硬岩一般在隧洞工作面发生表部岩爆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同一部位反复发生岩爆，可持续几天地下水较丰富的地段，开挖面一旦无水，依然有岩爆发生岩爆产生的能量机理固体能量诱发型构造能量诱发型复合型能量机理释放能量为中心的岩爆控制对策超前深孔爆破，释放能量超前高压注水软化，释放能量台阶式分步开挖，逐步释放能量双向聚能爆破新技术，消除曲率效应采用新型锚网索耦合支护技术加强洞室交叉点支护防止底部岩爆关键技术超前高压注水软化大理岩水理作用特征曲线Y-4试管刻度Q随时间t变化曲线288.8289289.2289.4289.6289.8290290.2020406080100120140t(min)Q(mm)Y-4平均吸水率w随时间t变化曲线00.0020.0040.0060.0080.01020406080100120140t(min)w(ml/min)关键技术双向聚能爆破新技术XOY平面上聚能模型双向聚能爆破效果关键技术锚网索耦合支护技术锚网索耦合支护改变岩体边界条件ACBA,DBC13D围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转化过程实测巷道断面锚固力分布1——掘进锚喷后围岩应力状态2——锚网耦合设计作用后应力状态3——应力转化中性点4——应力变化趋势关键技术底角异形锚杆，切断两帮应力向底板传递分步弱化剪应力变化图40GPa30GPa10GPa3GPa分步弱化顶板剪应力变化曲线0102030405060708090020406080100E=40GPaE=30GPaE=10Ga弱化区开挖区正常区01020304050607080900102030405060708090100E=40GPaE=30GPaE=10Ga开挖(E=3)弱化区开挖区正常区分步弱化顶板剪应力变化曲线分步弱化断面周围剪应力分布变化图分布弱化断面周围应力扰动区变化图弱化区分步开挖剪应力分布变化图01020304050607080020406080100开挖1台阶开挖2台阶开挖3台阶开挖岩层软化后分步开挖顶板剪应力变化曲线01020304050607080020406080100开挖1台阶开挖2台阶开挖3台阶开挖未软化开挖直接开挖与软化后分步开挖顶板剪应力变化对比