0 引言

近年来，随着地下开采与地下硐室(如水工，铁路隧洞)的开挖数量、规模及其深度的日益增长、大规模的岩爆所造成的伤亡事故不断上升、带来巨大的损失。为预防岩爆，人们花了大量的人力、物力和财力对岩爆机理进行了初步的研究，建立了一些可以作为预测岩爆的手段和方法，但就实际应用的情况来看，结果并不理想^[1]。笔者认为，导致这种情况的原因是多方面的，一个极其重要原因是:现阶段对引起岩爆的因素认识不够。为了能真正认识岩爆的机理，建立能有效、准确、及时地预测岩爆的方法，有必要探讨引起岩爆的因素。这是作者发表本文的目的所在。

1 岩爆的影响因素的分析

虽然影响岩爆的因素极其复杂，但通过研究后发现，无论是地下硐室的开挖，还是地下开采，岩爆与以下几个因素有着密切的联系:地应力、岩石的结构与性质、开挖(开采)的深度、硐室开挖的形状及尺寸、地质构造与地形地貌、人工爆破与地震等。这些因素的影响不是独立的，而是彼此相互联系的。然而影响方式各异，影响的程度也非一致。在一般情况下，前面两个是影响岩爆的主要因素。如果把地应力看成是引起岩爆的主要外因，则岩石的结构与性质是引起岩爆的主要内因。但是对于个别的具体事例来说，情况又有所区别。现分别进行阐述。

1.1 地应力对岩爆的影响

岩爆的发生与地应力集聚特性有着密切的关系。在同样的地质背景下，有的岩石具有较高的地应力，而有的只具有较低的地应力。通常具有较高的地应力的岩石，其弹性模量也较高, 相反，具有较低地应力的岩石，其弹性模量也较低。因此，在高地应力区，岩石具有较大的弹性应变能，也最易发生岩爆，形成岩石的破碎区。下面再从另一个方面分析高地应力区岩爆的发生情况：

首先讨论，什么是高地应力区？这是一个目前尚未统一规定的和定义的问题。

一般来说：所谓高地应力是指初始应力，特别是它们的水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的重量用公式表示为：

式中:σ——最大主应力；

σ_h·max——地应力的最大水平分量；

γ——岩石的容重；

H——上覆盖岩体的高度。

根据瑞士地质学家海姆(Heim)提出的假设^[2]:

式中:σ_v——地应力垂直分量。

在1000米以内的深度，最小主应力σ₃=σ_v=γH。根据一般的情况，当σ₁-σ₃较大(或σ₁>>σ₃)时，很可能发生岩爆。因而对于高地应力区，这就说明了高地应力区最易于发生岩爆。

除此以外，有关资料还表明，高地应力的岩石具有一种比较明显的脆碎特征，而岩爆恰恰是岩石的脆性破坏过程。这表明了高地应力区的岩石具有发生岩爆的岩石特征。

如果在高地应力区开挖硐室，则扰动了岩石的初始应力，破坏了硐室周围岩石初始应力的平衡状态，使得硐室周围的应力重新分布。其应力峰值可达到初始应力的2~3倍。由于应力集中的影响，往往使围岩应力超过岩爆的临界应力，产生岩爆。

从以上分析不难得知，处于高地应力区的岩石最易于发生岩爆；反之亦反。

例如，我国二滩水电站和鲁布革地下水电站所发生的岩爆常常是在高地应力区。说明了上述分析与实际相吻合。

1.2 岩石的结构与性质对岩爆的影响

在一般情况下，单轴抗压强度σ_c≥150MPa的岩石(火成岩)或者σ_c≥60MPa的岩石(沉积岩)常易于发生岩爆。换句话说，抗压强度愈大，发生岩爆的可能性愈大。这是因为岩石的强度愈大，则其质地愈坚硬，可能蓄积的弹性应变能就越大。当岩石破坏后，耗散后剩下的弹性能转化为较大的动能，使其弹射、抛出，这为岩爆的发生提供了内部条件。以下是几个国家的地下工程中发生岩爆的岩石的抗压强度的情况，见表 1。

此外，岩体的完整程度是决定岩爆是否发生的一个重要条件。所谓完整岩体是指：裂隙间距相对较大、宏观上没有贯穿的岩体；岩块的破裂不沿裂隙而发生，而是岩石内部裂纹扩展的结果。从定量的角度来考虑，岩石的完整系数可用公式表示为^[3]:

式中:λ——岩石的完整系数；

V_pm——岩体弹性纵波速度；

V_pr—岩石弹性纵波速度。

根据现有统计资料数据表明，当岩石的完整系数λ≥0.75时，属于完整岩体，是发生岩爆的条件。

如贵州天生桥引水洞2号支硐，发生岩爆硐段为：

事实上发生岩爆的岩石都是鲜艳完整，原生裂隙较少。岩爆后，破坏的岩石，在爆裂面上存在一般肉眼观察不到但较明显的裂隙。这说明了岩石近似于弹性体，其应力应变曲线在破坏前半部分近似于直线，岩石有较好贮存弹性应变能的条件，从而可以积聚大量的弹性应变能，这样岩石在破坏时，所需的耗散能相对要少一些，使断裂后的岩块获得足以弹射的动能，有利于岩爆的发生。如果存在明显的裂隙、节理，则受力后产生较大的塑性变形，因此外力所做的功过多被耗散，失稳的岩块不可能获得更多的功能。据国内外34个曾发生过岩爆的工程统计，岩爆发生在完整、紧硬的岩浆岩中约占70%, 在新鲜、坚硬的变质岩及沉积岩中约占30%。

再者，发生岩爆的岩石(岩体)是非常干燥的，含水量极少；换句话说，比较湿润的岩石较难发生岩爆。因为岩石中的水对岩石会引起两种变化：

a.水及某些含阳离子的溶液具有降低岩石颗粒间表面能的能力，因而降低了岩石的破裂强度，这种现象被称为软化。

b.含水的岩石明显比干燥的岩石中的层理、节理、裂隙发育好，数量多，岩石的孔隙率高。由于裂隙的增加与扩展，降低了岩石的强度和弹性模量，泊松比增加，内部粘结力减少，从而造成岩石的弹性性质的差别。如果从公式来看，岩石中贮存的弹性应变能从理论上可用下面式子估算。

式中:w——岩石中贮存的弹性能；

σ_ca²——岩石破坏所达到的最大平均应力；

E——弹性模量。

由上式不难看出，w与σ_ca²成正比关系，因此σ_ca的下降将引起w更大的下降。

由此可知，岩石的含水量对岩爆的形成和发生起着极其重要的作用。

1.3 开挖深度(或埋深)对岩爆的影响

通常地应力随着深度的改变而发生变化。不但地应力的大小随深度的改变而改变，而且其方向也是如此。

从国内外对地应力测得的数据来看，在1000米以上的深度，水平方向的主应力大于铅垂方向的主应力，然而在1000米以下的深度，情况恰恰相反，铅垂方向的主应力往往要大于水平方向的主应力，而成了最大主应力。

Brown与Hoek研究了世界116个现场的地应力的数据，得到以下结论^[4]:

k(水平应力平均值与铅垂方向的应力值的比)与深度z的关系:, 大致情况如图 1所示。

前面已经阐明了，地应力是影响岩爆的两个主要因素之一，而开挖深度与地应力又有着如此密切的关系，因此开挖深度(或埋深)也是影响岩爆的一个不可忽视的因素。

研究表明，随着深度的不断增加，岩爆的数量和频度(单位时间内岩爆发生的次数)也逐渐增加，而且震级也愈大。如图 2, 显示了北京门头沟这种趋势^[5]。如图 3, 也反映了胜利煤矿的类似情况。

最近，笔者对湘西金矿考査发现，随着采深的增加，岩爆倾向也愈来愈突出。

有人根据岩爆发生的条件，得到了一些理论上开挖(或埋深)的临界深度的计算公式^[3]。但从实际情况来看，世界范围内各国地下工程中发生岩爆的临界深度不一，下面是几个主要国家的地下开采所发生的岩爆的临界深度，见表 2所示。

当然，有的地下工程，即使埋深不大，由于靠近山坡或河谷的坡面，虽然与地面相距较近，也有岩爆发生，其原因就在于这些地方的最大主应力σ₁与山坡平行，其值很高，而近于坡面σ₃很低，则σ₁-σ₃值较大，因此这些部位的硐室易发生岩爆，这种情况属于极少数，不多见。

1.4 地质构造与地形地貌对岩爆的影响

复杂的地质构造带容易发生岩爆。如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等等。特别是向斜的轴部岩层存在较大的地应力，聚积有大量的弹性应变能，一旦进行开挖或开采，就有可能产生岩爆。

目前对岩爆的观察结果表明：地形对岩爆发生部位有关。地形因素会使地应力的最大主应力向平行于岩坡地面，而一些地下工程中的硐室常处于靠近坡面的部位，因而与最大主应力方向垂直的截面的表面围岩时有岩爆发生。如图 4所示。

1.5 地下工程中的硐室的形状、尺寸对岩爆的影响

地下工程中所开挖硐室的轮廓形状、尺寸也与岩爆发生有联系。如果开挖的硐室是非圆形的，则易发生岩爆。通过分析发现，圆形硐室周边部位应力集中程度不大，而非圆形硐室周边部位应力集中程度不一；特别在有的部位(非圆形硐室的拐角点处)的应力集中程度相当高，并且所受的应力值往往达到或超过发生岩爆的临界应力值，很可能会发生岩爆。可见，圆形硐室是最不易发生岩爆的，也是最安全的。

1.6 爆破、地震对岩爆的影响

爆破、地震是触发岩爆的一个重要外因。一旦遇有爆破或地震，由此产生的巨大弹性波迅速传播，使得处于临界状态的岩体受到扰动而发生突然失稳破坏，从而导致了岩爆的发生。据不完全统计有20%左右的岩爆是由爆破或地震等因素所引起的。

2 结语

综上所述，影响岩爆的因素是多方面的。从根本上来分析，对岩爆起着决定作用的还是地应力和岩石的结构、性质。高地应力区的岩石，则其弹性模量较高，贮存弹性能的能力就愈大，反之亦反。而岩石的结构与性质最终也反映到岩石所贮存弹性能的多少，抗压强度较大、新鲜完整干燥的岩石, 贮存的弹性能愈多；相反，强度较低、或不鲜艳、或原生裂隙较多、或湿润的岩石，贮存的弹性能就较少。而岩石发生岩爆就是岩石破坏后，除耗散一部分弹性能外，其余的弹性能就转化动能，所获得动能的多少反映了发生岩爆的强度(或震级)的高低，岩石破坏后获得的动能大，则发生岩爆的强度就高，否则不然。一个极端的情况:如果岩石在破坏后，贮存的弹性能全部用于岩石破坏后所耗散的能量，则破坏后的岩石得不到动能，显然不可能产生岩爆。所以说地应力、岩石的结构与性质对岩爆的影响是主要的；至于其他外因对岩爆的影响是次要的。

对岩爆影响因素的分析与初步探讨，有助于认识岩爆的内在机理和发生机制，也有助于建立一些行之有效预测岩爆的方法。