岩爆孕育过程的机制预警与动态调控

1 绪论 1.1 研究意义 岩爆是深部工程开挖或开采过程中常见的一种地质灾害，直接威胁施工人员和设备的安全，影响工程进度，甚至摧毁整个工程和诱发地震，造成地表建筑物损坏"随着埋深的增加或应力水平的增高，我国地下工程的岩爆呈频发趋势。 自1738年英国锡矿岩爆被首次报道以来，世界范围内已有联邦德国、南非、中国、前苏联、波兰、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、奥地利、意大利、瑞典、挪威、新西兰、美国、法国、加拿大、日本、印度、比利时、安哥拉、瑞士等众多国家和地区记录有岩爆问题。*初，岩爆主要见于深埋的采矿巷道或竖井内，如埋深在几千米以下的南非金矿和印度的Kolar金矿等。后来，在埋深较浅的交通隧道、排污管道、引水隧洞甚至是输油管道等的施工中也频繁出现岩爆，如挪威Heggura公路隧道、挪威某排污管道、瑞典Vietas水电站引水隧洞等。 南非的金矿开采深度达2000～4500m，是目前世界上开采深度*大的地下工程，而岩爆风险随着深度的增加也越来越高，其危害性很大。据有关资料显示，1987～1995年，因岩爆和岩崩引起的受伤率和死亡率分别占南非采矿工业的1/4和1/2以上；印度的Rolar金矿发生岩爆，在距岩爆震中2～3km处的地面建筑物被毁，有的岩爆事件所释放的能量达到里氏4.5～5.0级。据1993年不完全统计，单从煤炭部门来说，我国已有65个矿井发生过冲击地压（岩爆其中35个矿井累积发生过2000余次具有破坏性的诱发地震，造成数以百计的人员伤亡（郭然等，2003）。 我国金属矿山，如红透山铜矿、冬瓜山铜矿、玲珑金矿、杨家杖子稀有金属矿区、青城子金属矿区、大厂锡矿区等均纷纷出现岩爆灾害。例如，抚顺红透山铜矿采深超过1250m，1995～2004年，累计发生岩爆49次，其中发生两次规模较大的岩爆，**次发生在1999年5月18日早晨7时左右交接班时，第二次发生在1999年6月20日。这两次岩爆地点均在一467m9号米场附近，岩爆后米场斜坡道和二、三平巷的几十米长洞段遭到了破坏，巷道边墙呈薄片状弹射出来，*大片落厚度达1m。交接班工人在+253主平硐口听到巨大响声。根据经验判断其响声相当于500!600kg炸药爆破的声音。我国年产量超过1.5万t的冬瓜山铜矿采深超过1000m，自1996年12月5日**次发生岩爆以来，已经记录到岩爆现象超过10余次，岩爆多次影响到开采进度。河南省灵宝峑鑫金矿自埋深超过360m后，井壁出现不同程度的岩爆，随着深度的增加，岩爆烈度不断增大，该矿2004年11月15日至2005年1月16日，采深在1200m左右的2#竖井连续发生6起岩爆事件。 我国深埋隧洞，如成昆铁路关村坝隧道、二滩水电站、天生桥、渔子溪和锦屏二级水电站引水隧洞等都发生了不同等级的岩爆事件。表1.1总结了我国已建的部分深部隧洞（道）工程岩爆灾害情况，分析了不同等级岩爆的比例关系。据有关资料记载1.966年竣工的成昆铁路关村坝隧道全长6187m，*大埋深1650m，昆明段开挖时曾发生岩爆，岩爆具有明显弹射现象，射距2!3m。1993年开挖完工的二滩水电站左岸导流洞，*大埋深200m，8.1的洞段发生轻微岩爆。同年竣工的太平驿引水隧洞全长10.5km，发生岩爆400余次，4次砸断台车钻臂，2次砸坏卡车，重伤3人，轻伤4人，累计停工32天。1996年贯通的南盘江天生桥二级水电站三条引水洞平均埋深400～500m，*大埋深800m，平均长度9.5km，在石灰岩、白云岩洞段发生烈度不同规模不一的岩爆30次，其中掘进机开挖洞段24次，而钻爆法洞段仅有6次，轻微岩爆占70%，中等岩爆占29.5%，强烈岩爆占0.5%。1998年3月竣工的秦岭铁路隧道在开挖的过程中，*大埋深1600m，有43段（累计长度约1894m）发生了岩爆，其中轻微岩爆28段（总长为1124m），占岩爆段总长度的59.3%；中等岩爆11段（总长为650m），占岩爆段总长度的34.3%；强烈以上岩爆4段（总长为120m），占岩爆段总长度的6.4%。2001年竣工的川藏公路二郎山隧道全长4176m，*大埋深760m，施工中先后共发生200多次岩爆，连续发生岩爆的洞段共有8段，每段长60!355m不等，岩爆洞段长度占总长度的1/3，多为轻微岩爆，少量中等岩爆。2002年竣工的重庆通渝隧道*大埋深1015m，岩爆总长度655m，其中轻微岩爆占91%，中等岩爆占7.8%，而强烈以上岩爆占1.2%。2004年贯通的重庆陆家岭隧道，全长6.4km，*大埋深600m，有近93m洞段发生不同等级岩爆，其中，轻微岩爆占55.8%，中等岩爆占39.7%，强烈以上岩爆占4.5%。2007年建成通车的秦岭终南山特长公路隧道在施工区段内有2664m产生不同程度的岩爆，其中轻微岩爆6段，占总岩爆长度的61.7%冲等岩爆7段，占总岩爆长度的25.6%；强烈岩爆7段，占总岩爆长度的12.7%。据不完全统计，截至2012年2月锦屏二级水电站引水隧洞发生岩爆750多次，其中轻微岩爆占44.9%，中等岩爆占46.3%，强烈1.极强岩爆占8.8%，其中2009年11月28日排水洞的一次极强岩爆导致一台TBM机械报废，造成严重经济损失。江边水电站引水隧洞工程共发生岩爆300余次，其中轻微岩爆占46.4%，中等岩爆占50.4%，强烈岩爆占3.2%。 表1.1 我国发生岩爆的隧洞（道）工程不完全统计 因此，开展岩爆的孕育演化机制与动态调控理论研究，有效遏制高强度岩爆灾害的发生，避免因岩爆灾害造成的人员伤亡、设备损失、工期延误和矿石不能正常回采，已成为我国水利水电、交通、国防、深部基础物理实验等工程安全建设与金属矿山安全高效开采亟待解决的重大课题。 1.2 锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞 1.2.1 工程总体布置① 锦屏二级水电站位于中国四川省境内，上距锦屏一级坝址7.5km，电站装机容量为4800MW，单机容量600MW，多年平均发电量242.3亿kW h，保证出力1972MW，年利用小时5048h。该电站利用雅砻江锦屏150km长大河湾的310m天然落差，截弯取直，引水发电，额定水头288m，为雅砻江上水头*高、装机规模*大的水电站，属于雅砻江流域梯级开发电站中的重点电站。工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧同、大容量引水式。 取水口集中布置在闸址上游的景峰桥右岸，地下发电厂房位于雅砻江锦屏大河弯东端的大水沟。引水洞线自景峰桥至大水沟，采用“4洞8机”布置，引水隧洞共四条，洞线平均长度约16.67km，开挖洞径13m，衬砌后洞径11.8m，上覆岩体一般埋深1500～2000m，*大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，为超深埋长隧洞特大型地下水电工程。隧洞洞群位置如图1.1所示。 图1.1锦屏二级水电站整体布置图（中国水电工程顾问集团华东勘测设计研究院，2005） 辅助洞A和B、排水洞与引水隧洞的整体布置方案如图1.2所示，其中，1＃和3＃引水隧洞TBM开挖洞段为圆形断面，开挖直径12.4m，1＃和3＃引水隧洞钻爆法开挖洞段以及2＃和4＃引水隧洞为四心马蹄形断面，开挖直径13m，四条引水隧洞之间的中心线间距为60m。沿线除了四条引水隧洞外，还开挖了两条辅助洞A和B用于交通和勘探，辅助同和引水隧同之间为一条施工排水洞，用于排出四条引水隧洞开挖过程中揭露出的突涌水。辅助洞与施工排水洞中心线间距35m，施工排水洞与4＃引水隧洞的中心线间距45m。 图1.2 锦屏二级水电站深埋隧洞布置图（单位:m）（中国水电工程顾问集团华东勘测设计研究院，2005） 1.2.2 地质条件① 1.地形地貌 除东、西雅砻江两岸及局部沟谷外，整个隧洞沿线地形起伏，高程均在3000m以上，*高山峰达4113m，由白山组大理岩组成地形主分水岭。进水口侧岸坡坡度为40°～60°，局部山峻，达75°以上；出水口侧岸坡坡度35～45，局部达60°以上，如图1.3所示。 2.地层岩性 引水隧洞沿线所穿越的地层均为三叠系地层，即为T1、T2y、T2b、T2z、T3；地层总体走向以NNE向为主。引水系统纵剖面见图1.4。现就各地层的岩性分述如下 1）三叠系下统（T1） 该地层主要位于工程区的西部，岩性复杂，由黑云母绿泥石片岩、变质中细砂岩夹薄层状大理岩、角砾状或条带状大理岩等组成。 2）盐塘组（T2y） 主要分布在8糖江沿岸地带，引水隧洞主要穿越以下三个岩组： （1）取：由灰白色、灰绿色条带状石母大理岩组成，局部夹厚0.3～1.5m。灰白色白云质大理岩；该层在大水沟长探洞内共揭露二次，视厚度小于304.7m。 图1.3 锦屏二级水电站深切河谷照片 （2）下段为灰～灰黑色大理岩、灰～褐色条带状或角砾状中厚层大理岩，局部见有黑色含泥质灰岩；中段为粉红色大理岩，厚层状，大多为中粗粒结构；上段为灰白～白色粗晶大理岩，厚层块状，微具臭味；层厚约1000m。据大水沟长探洞揭露表明，本层岩相变化较大，岩性为灰黑～黑色大理岩夹灰白色大理岩和泥质灰岩、灰白～白色中厚层大理岩及白色臭大理岩夹灰黑色或条带状大理岩、角砾状夹条带状或黑色大理岩（白色角砾大多具有臭味）。各种岩性之间变化呈渐变过渡状态。 （3）灰～灰黑色泥质灰岩夹深灰色大理岩，泥质灰岩呈极薄层～中厚层状，常见泥质条带与灰岩互层出现。该层在大水沟长探洞共揭露二次，视厚度为25.7～717.8m；泥质灰岩中见较多的片状云母条带及针片状矿物，黄铁矿晶体呈星点状分布其中；沿顺层挤压结构面常见石英脉或方解石脉充填，且岩体的完整性较差，局部呈弱～强风化状。 盐塘组大理岩的单轴抗压强度为70～110MPa，弹性模量为20～35GPa，密度为2670～2730kg/m3。 3）白山组（T2b） 主要分布在工程区的中部，结构致密、质纯。底部为杂色大理岩与结晶灰岩互层；中部为粉红色厚层状大理岩；上部为灰～灰白色致密厚层块状臭大理岩。本层厚750～2270m。