0 引言

岩爆是地下工程中常发生的复杂的动力现象之一。发生岩爆时，岩石中好象装有炸药一样使岩石崩落、弹射，并伴有声响和气浪，与一次小地震相似。一次震级较大的岩爆，可能给地下工程中的设施造成严重的破坏和摧毁，甚至造成巨大的人员伤亡，而且使以后的生产和建设受到阻碍。

虽然岩爆的出现已有200多年的历史，但直到本世纪，特别是近20〜30年来才真正引起了各国研究者的注意。各国已成立专门研究机构。研究工作是从岩爆进行广泛调查统计分析开始，进而发展到实验室的理论研究和现场实际测定，岩爆的研究和防治工作最有成效的国家要数前苏联，其次是波兰和德国。

由于人们对岩爆的成因及其机理，仍然不很清楚，因此对预测预防岩爆所取得的成绩不太令人满意。目前，所建立的一些有关岩爆的指标(或判据)各自独立，判别的准确性都不高。本文先评述现在较通用的能量指标(有人把它称为能量判据），然后，对比提出另一种能量指标。

1 现有岩爆的能量指标及其局限性

从能量的观点来看，岩爆就是地下开挖或开采时，岩体所聚集的巨大弹性应变能突然释放，而产生突然失稳的过程。基于此，现有岩爆的能量指标是这样建立的：

如图 1所示，对岩石进行单轴加载到抗压强度的80 %左右，然后卸载所得的应力-应变曲线，则外力所做的功为：

式中：E₁-耗散于岩石的裂纹扩展、变形、破裂以及转化为热(声)能那部分能量；

E₂-聚集在岩石中的弹性能。

为了方便起见，用W_ET表示E₂与E₁的比值，则有：

当：W_ET < 2, 可能不发生岩爆；

当：2 < W_ET < 5, 可能发生岩爆；

当：W_ET>5，非常可能发生岩爆。

这就是大家所熟悉的现右岩爆的能量指标。

下面我们来看几个实例，结果列于表 1。不难看出，第3、4、5号试样的W_ET值均大于5, 然而都不曾有岩爆发生过。由此可知，该能量指标对预测以上那三个地区是否有岩爆似乎不准确，造成这种情况的原因当然是多方面的，其中有一个不可忽视的因素:该能量指标本身存在着某些不足之处。很有值得商榷的必要。下面从三个方面评述该能量指标。

该能量指标中的散性较大。需要多个试件，而且毎个试件加载的应力值又不同，这样得到的数据与精确值自然有一定的差距。

该判据的两个临界数2和5都是经验数。据知，这两个数值是国外岩石力学工作者用本国曾发生过岩爆的地区的岩石做试件，进行实验，再统计出来的；取平均值中的一个最高限（即5), 和一个最低限（即2), 这样就定出来了。显然含有人为因素。如果又用此来预测其它地区是否有岩爆发生，自然有些不太适合，准确性也不高。这很容易理解。因为不同国家的岩性，自然有差异；即使同一国家，而不同地区的岩石，其岩性难免或多或少都存在着某些不同之处。

更重要的是该能量指标只考虑了岩石在单轴压缩破坏前的情况，而未考虑岩石破坏后的过程。众所周知，岩爆的本质，实际上就是岩石破坏的全过程t既然研究岩爆，不“破”，何以谈“爆”？岩爆必须在岩石破坏后才发生。当然岩石在破坏前的裂隙的闭合、扩展、密集(即全应力一应变曲线的前半部分)对岩爆有着密切联系，但不能因此而忽视岩石的破坏后区(指的是全应力一应变曲线过峰值时的后半部分）。正因为如此，要真正认识岩爆，必须从岩石破坏的全过程的角度考虑岩爆；否则，就会出现表 1中的判别上的失误。

2 从全应力-应变曲线的角度分析岩爆

上面已阐述了岩爆的本质归根结蒂是岩石破坏的全过程。而这一全过程恰恰是能用岩石力学中最重要的曲线—全应力-应变曲线表示，见图 2。

如果从能量的角度分析，当岩石破坏时所释放的能量大于所耗散的能量时，就有可能发生岩爆。以此为出发点，库克(Cook)用另一种等价语言叙述为：当岩石所聚积的弹性能大于岩石破坏时所释放的能量，就可能发生岩爆。则岩石所聚积的弹性应变能应.该是卸载曲线f₂(ε)、直线ε=b以及ε轴所围成的面积，用W_T表示；而不是由曲线f₁(ε)、直线ε=b以及ε轴所围成的面积，因为这当中，岩石在压缩过程中要消耗一部分能量:用于热能、以及产生塑性变形也需一部分能量。用W_T积分表示为：

而岩石破坏所释放的能量是由曲线f₁(ε)、直线ε=b、ε=c以及ε轴所围成的面积，用W_φ表示，其积分表达式为：

为方便起见用W_Tφ表示W_T与W_φ的比值，即有W_Tφ=W_T/W_φ。根据库克的能量准则有以下结论：

当W_Tφ>l时，有可能发生岩爆；

当W_Tφ < 1时，无岩爆发生；

当W_Tφ= 1时，不能确定。

笔者以此做为预测岩爆的一个判据，称W_Tφ之为能量指标。

3 岩石单轴压缩破坏实验及其数据的处理

为了求出W_Tφ的值，则必须先求W_T与W_φ的值。建议按以下步骤进行：

首先，取样，制取试样。其次，将试样放在刚性试验机上进行单轴加载，当载荷刚到峰值就卸载，然后又继续加载直到试样完全破坏，借助X-Y函数仪（或计算机）画出全应力-应变曲线和卸载曲线。

最后，利用求积仪(或其它手段)求出弹性应变能W_T，和释放的能量W_φ，然后取其平均值为计算数据W_T、W_φ。

4 实例

笔者用此能量指标预测了中条山铜矿某地段。从4、5号钻孔取样，共制作5个试样，其形状均为圆柱体。实验结果见表 2。

求得:

最后求出由此可知无岩爆发生。与事实相符。

5 结论

本文所提出的岩爆能量指标做为预测岩爆是实用的，可行的，有以下特点。

该能量指标是建立在岩爆的本质之上。这就体现了岩爆发生之前的准备过程（即量变过程），而且又考虑了岩爆发生后的过程(即质变过程）。也就是说该指标反映了岩爆的内在规律\是岩爆的真实写照。

该能量指标做为预测岩爆应用范围广。适合任何地下工程中的岩爆的预测。不管是地下开采，还是地下开挖，都可借助此能量指标。

该能量指标做为预测岩爆，简单明了，同时具有严密的科学性，但又不需要高深的知识，也没有繁琐的推断，易于广大岩石力学工作者所接受。

该能量指标一个最大的优点是：没有人为因素的影响。现有能量指标会有两个经验数(2和5)，是人为所致；而本文所提出的能量指标中的临界值(1)，不是人为选定的，而是一个由推导出来的自然数。

最后一点说明的是，该能量指标用做预测岩爆时，只是做为一个必要条件，而非充分条件，也就是说，满足该能量指标的第一款（即W_Tφ>1)时，并非意味着一定发生岩爆，同时必须具备其它诱发因素（如前方有断层，褶曲，放炮震动或地震）的影响。