冯夏庭-深部开采诱发岩爆机理与调控

深部开采诱发岩爆理与调控2011年6月11日冯夏庭中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室汇报提纲一、岩爆的典型特征二、岩爆孕育过程与发生的时空演化规律与机制三、岩爆预测方法四、岩爆风险规避•红透山铜矿（距山坡采矿平硐，埋深近1100m）的斜坡道1999年5月18日7:05和7:25，连续发生两次岩爆:数十m长的巷道4.0m×3.0m）边帮岩墙产生严重的压剪性破坏，大量的岩石（约50m3）呈现大小不一的片状被由巷道一侧帮壁抛掷到对面帮壁，帮壁崩落的厚度一般在0.1～0.6m（局部超过1.0m)。同时采场内顶板伴有大量粉尘抖落致使该影响区域的多个采场停产十余日，对巷道进行了大范围的支护大量岩石崩落，片落的长度为80m，最大岩片厚度为60-70mm1、岩爆的典型特征岩爆所产生的深达5-8m的爆坑2009年11月28日0:50分左右,锦屏II水电站施工排水洞在TBM正常掘进过程中，向前推进90cm时，K9+285处左拱肩突然发生大面积极强岩爆，岩爆造成排水洞轴线约28m范围原支护系统全部毁损，TBM严重损坏，塌方总量估计400余方，7人死亡8m2009.10.99:24爆坑深度1-3.0m拱架弯折破坏排水洞TBM开挖方向11.617:52恢复掘进4mSK9+292.211.73:09掘进1m11.1518:06/18:58恢复掘进2天，推进4m后爆坑(3m北侧拱肩)/1m(拱顶)/2m(南侧腰线)11.280:50掘进90cm最大爆坑5-8m，TBM主梁断裂，死亡7人SK9+322SK9+301SK9+296SK9+291SK9+292SK9+288SK9+313SK9+283TBM卡机施工排水洞在于2009年11月7日发生一次强岩爆后，2009年11月13日恢复掘进。在恢复掘进后两天（向前开挖不到4m），即11月15日18:06分和18:58分在桩号SK09+292~SK09+288的范围再次发生极强岩爆，并导致TBM再次卡机。岩爆在整个上半断面都形成塌方，最大坑深约3.0m，出现在北侧拱肩附近，坑型为典型的“V”型，目前该塌坑也喷射砼；在隧洞南侧腰线附近，塌方深度也到达2.0m，在隧洞顶拱塌方深度约1.0m。3.0mSK09+291~SK09+289断面北侧拱肩2.0mSK09+292~SK09+290断面侧南侧腰线1.0mSK09+292~SK09+291断面顶拱施工排水洞2009年10月9日极强岩爆后，一直在进行紧张的钢拱架恢复及刀盘卡机处理。在恢复掘进向前开挖仅仅4m后，又遇到极强岩爆并导致TBM再次卡机:11月6日17：52分，SK9+292.200发生岩爆，岩爆响声很大，发生部位为6点至10点位置。岩爆导致TBM中心线再次出现偏移现象，其中水平为13.4mm，高差为8.9mm。SK9+296至SK9+291（向掌子面前延伸1m），11月7日凌晨3：09刀盘内部、护盾内侧发生极强岩爆，响声很大。此次极强岩爆导致TBM左侧锚杆钻机减速器及刹车等损坏，同时导致TBM再次卡机。护盾上部石渣2009年10月9日锦屏II水电站排水洞掌子面桩号SK9+296，由于岩爆掌子面处TBM刀盘被卡住至10月26日仍然没能清理完毕10月5日桩号SK9+304发生一次岩爆IVb类围岩洞段，之前局部岩爆坑深达2m引(2)11+023~11+060m洞段南侧拱脚围岩普遍弹出脱落涨壳式中空注浆预应力锚杆,T=80kNNWW结构面已装半车岩渣挡风玻璃完全脱落裂缝贯通上台阶底板，可见深度1m，宽约10cm，该段围岩完整，无明显结构面BK9＋512BK9＋472BK9＋552ABK9＋648西端东端B洞未开挖体B洞A洞辅助洞B洞BK9+512.8掌子面岩爆BK9＋512BK9＋472BK9＋552ABK9＋648西端东端B洞A洞A洞未开挖体辅助洞A洞AK9+648岩爆BK9＋512BK9＋472BK9＋552ABK9＋648西端东端B洞掌子面右边墙左边墙A洞辅助洞B洞BK503～538段岩爆辅助洞BK9+830段岩爆与钻孔破坏深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论（2010CB732000）2.岩爆孕育过程与发生的时空演化规律与机制1）岩爆孕育时空演化规律—F#实验洞（钻爆法）辅助洞A试验洞B试验支洞F7.5×8m试验连接洞①②④③④④④④④N53°W辅助洞A试验洞B试验支洞F7.5×8m试验连接洞①②④③④④④④④N53°WF#实验洞埋深2430m2009-10-132010-01-032010-01-042010-01-07增亮区塌孔塌孔红色和黄色为新增裂隙孔口孔底孔口孔底孔口孔底JPTSA-3-S2-DB-01(1)数字钻孔摄像裂隙演化3号试验洞试验支洞F变形随孔深的变化关系曲线-0.50.00.51.01.52.02.54.05.06.07.08.09.010.011.012.013.014.015.016.017.018.019.020.021.022.0孔深/m位移/mm2009-11-302009-12-22009-12-102009-12-162009-12-182009-12-192009-12-202009-12-222009-12-242009-12-262009-12-282009-12-302010-1-22010-1-32010-1-52010-1-72010-1-92010-1-102010-1-122010-1-172010-1-212010-1-232010-1-272010-1-292010-3-262010-4-112010-4-152010-4-242010-4-272010-4-282010-01-102010-01-052010-01-072010-01-092010-01-12（2）变形演化规律0.00.51.01.52.02.52009/11/282009/12/32009/12/82009/12/132009/12/182009/12/232009/12/282010/1/22010/1/72010/1/122010/1/17位移/mm051015202530354045开挖进尺/m距试验洞F边墙1.0m距试验洞F边墙2.0m上台阶开挖进度下台阶开挖进度岩爆发生(20100109)第二层开挖监测断面位置监测变形与施工开挖、岩爆的关系第一层开挖变形加速期变形稳定期变形演化特征：岩爆发生在试验洞第二层开挖，发生前，变形经历了三个阶段：Ⅰ阶段：变形加速期，1月3日~1月5日Ⅱ阶段：变形稳定期，1月5日~1月7日Ⅲ阶段：变形加速，1月7日~1月9日微震演化规律能量释放率02040602010/1/22010/1/32010/1/42010/1/52010/1/72010/1/82010/1/9释放能率/KJ.m-3事件率061218242010/1/22010/1/32010/1/42010/1/52010/1/72010/1/82010/1/9事件率/个岩爆微震事件和能量释放率表现为先增加，后减小，再增加岩爆现场岩爆特征发生时间：2010年1月9日发生位置：试验支洞F北侧边墙,距F洞口17.8m，距开挖掌子面3.5m岩爆规模：最大弹出块体尺寸：3.22.50.4m，8m3试验支洞F岩爆岩爆后最大块体在北侧边墙上留下的爆坑前兆一：微震事件持续增加，位置集中引2#引3#引4#TBM开挖岩爆区微震事件掌子面件N引2#引3#引4#TBM开挖岩爆区微震事件掌子面件N引2#引3#引4#TBM开挖岩爆区微震事件掌子面件N引2#引3#引4#TBM开挖岩爆区微震事件掌子面件N引2#引3#引4#TBM开挖岩爆区微震事件掌子面件N8日偶尔轻微岩爆进尺9.1m9日多次轻微岩爆进尺11.2m10日持续轻微岩爆和强岩爆进尺15.3m11日中等岩爆，进尺8.9m12日无岩爆，进尺4m岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息3、岩爆预测方法前兆二：能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势;视体积持续增加，且有突增趋势。岩爆孕育期预警预报期岩爆发生期t/dEIVA/m-3视体积能量指数岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息岩爆孕育期预警预报期岩爆发生期t/dEIVA/m-3岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息V形爆坑V形爆坑V形爆坑TBM开挖8月16日至21日岩爆区6月7日至11日岩爆区引1#引2#引4#引3#水流方向7月3日至9日岩爆区N1-2-E掌子面1-1-E掌子面1-P-E掌子面1-1-W掌子面1-2-W掌子面2-2-E掌子面2-P-E掌子面1-P-W掌子面辅引1辅引22-1-E掌子面突降突升中等岩爆中等岩爆中等岩爆突降突升突升突降岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息(钻爆法)前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月1日微震事件视应力累积视体积掌子面强岩爆区2#引水隧洞3#引水隧洞4#引水隧洞掘进方向掌子面掌子面掘进方向掘进方向强岩爆区强岩爆区2#引水隧洞2#引水隧洞3#引水隧洞3#引水隧洞4#引水隧洞4#引水隧洞岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月2日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月3日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月4日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月5日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月6日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月7日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月8日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月9日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月10日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月11日微震事件视应力累积视体积前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势岩爆孕育与发生过程中------微震前兆信息2010年6月12日微震事件视应力累积视体积掌子面强岩爆区强岩爆区强岩爆区掌子面掌子面前兆一：微震事件持续增加，位置集中前兆二：•能量释放持续维持高位，有突然降低的趋势•视体积持续增加，且有突增趋势01020304050600200400600800弹性能量密度（KJm-3）计算时步能量峰值能量谷值minmaxiiiUULERRminiUma