0 前言

自从世界上第一次岩爆于1738年发生在英国的锡矿以来, 至今已有两个半世纪的历史^[1]。现有南非、加拿大、德国、美国、捷克、印度、瑞典、日本、英国、匈牙利、前苏联、安哥拉、奥地利、波兰和中国等20多个国家和地区都发生过岩爆。一旦发生岩爆, 有时可使矿山坑道、水电硐室、交通隧道遭受破坏, 同时损坏生产设备, 威胁人身安全, 严重的可使地面建筑物造成巨大的破坏, 其后果不堪设想。例如, 在1906年, 南非的采金工业每万名矿工约有10人次由于岩爆事故而遭受伤亡^[2]。在我国, 北京门头沟矿曾发生过震级为3.8的岩爆, 不仅给井下的生产和设施造成了严重的破坏, 而且波及到地面, 震坏、震裂房屋100余间, 有感震动半径竟达5km^[3]。

正是因为岩爆会造成巨大的损失, 所以国内外广大的科技工作者对岩爆进行了大量的研究, 目的是为了预防岩爆的发生, 或者是在岩爆发生之前, 采取有效措施将损失降到最低限度。因此, 作为预测岩爆的方法在防治岩爆的研究工作中显得极其重要。

1 岩爆预测方法的分类与简介

从现有资料来看, 目前有许多预测岩爆的方法, 为了系统全面地研究各种预测方法的特点与实用性, 对所有这些方法进行归纳分类是十分必要的。然而, 目前国内外尚无人从事过此项研究工作。笔者在这方面作了一些初探, 通过分析发现, 岩爆的预测方法可分为两大类:一类是实测法, 另一类是理论法。

1.1 实测法

借助一些必要的仪器, 对地下工程中的现场或岩体直接进行监测或测试, 判别是否有岩爆发生。这类方法有以下几种:微重力法、流变法、回弹法、微震法(或声发射法)、光弹法、钻屑量法、电阻法和现场测定法等。

1.1.1 微重力法

根据岩体的变形, 重力强度的变化, 以及密度分布的变化来预测具有岩爆倾向的地带。由于地下工程中的开挖(或开采)破坏了岩体原来的应力状态, 应力将重新分布, 达到新的平衡状态。所导致的比例分布是随岩体体积的变化而变化, 以岩爆形式释放的应变能基本上与重力强度的变化相当。随着开挖(或开采)后岩体的变形, 其密度分布发生变化，这时可以观测到岩体重力微小异常的变化。岩石在多轴向压缩下, 发生脆性破坏的四个阶段(裂隙封闭、破裂开始、达到临界应力、发生破坏)中, 都会出现重力异常。此时根据微重力仪记录的重力异常讯号来预测岩爆。负重力异常是由于岩石体积增大和比重减少引起的, 表明岩爆即将来临; 正重力异常, 则表明无岩爆发生。

1.1.2 流变法

根据岩体的应力松弛速度和破坏程度来预测岩爆。应力松弛速度取决于岩石的力学性质、地质条件、应力集中和埋深等因素。当应力松弛速度低、且破坏程度高时, 表明岩体具有岩爆的可能。

1.1.3 回弹法

在现场或用钻芯岩样进行弹性试验来预测岩爆。

1.1.4 微震法

又称为亚声频探测法或声发射法。用该法能探测到岩石变形时发生的亚声频噪音(即微震), 地音探测器(拾音器)能将那些人耳听不到的声波转化为电讯号。根据地音探测器检测到的微细破裂, 确定异常高应力区的位置, 再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比较, 从而确定该应力的传播方向。当岩石临近破坏之际, AE(微震)噪音读数迅速增加, 如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标, 就意味着有岩爆来临。目前, 此方法用得最多、最广。

1.1.5 光弹法

当某些塑性材料和光弹玻璃受到应力的作用, 在偏振光下观察时可以看到干涉条纹, 这种干涉条纹与作用在岩体上的压力强度和方向有关。基于此, 可对即将来临的岩爆做出预测。美国的谢菲尔德大学研究了两种光弹法。现介绍如下：

(1) 圆盘法价廉简单。此方法将塑性材料粘接在所受力作用的岩石上, 最适宜于火成岩的应力测量, 因为这种岩石在高应力的作用下具有良好的弹性。

(2) 预应力技术是将一种带有合适的玻璃塞装置置于钻孔内, 通过顶紧压板, 向钻孔壁相对的两点施加预应力, 所测应力的大小是以干涉条纹来表示。这种干涉条纹在偏振光下可以看到, 用一种经各条纹组校正的专门仪器来测定, 并给出应力读数。由于观察有限, 该法受到钻孔深度的限制。

1.1.6 钻屑量法

过观察钻孔时钻屑量的变化来预测岩爆。打钻孔时, 如果发生卡钻或夹持现象, 将会产生轻微的岩爆；如果钻屑量大于正常值, 即可能发生岩爆。该方法是欧洲人发明的, 6 0年代开始使用。

1.1.7 电阻法

根据岩爆发生前岩石的电阻变化情况来预测岩爆。

1.1.8 现场测定法

将岩爆的现场检测装置安设在地下工程的相应地点, 提供地下开挖或开采周围岩石的应力集中讯号, 以指示岩爆是否将要发生。

1.2 理论法

通过对地下工程中的岩石取样分析, 利用已建立的岩爆各种判据或指标, 来预测岩爆。常见的有能量判据、应力判据、埋深判据, 还有一些用数学手段所建立的判据^[4~5].能量判据和应力判据用得较普遍。

2 岩爆预测方法在应用上存在问题的分析

在众多的实测法中, 目前用得较好、较普遍的是微震法。因为大多数人认为用该法预测岩爆时, 其判别的准确性较其他方法高, 是实测法中最好的一种。笔者通过研究分析, 发现微震法在预测岩爆时, 仍然存在以下的不足之处:

(1) 尽管微震法预测岩爆的准确性较高, 但针对具体问题也并非如此。例如, 美国矿山局自1939年使用微震法预测岩爆以来, 至今只有很少几例获得成功^[6]。由此可见, 微震法预测岩爆的准确性不具有稳定性。

(2) 微震法在预测岩爆的过程中, 分不清岩爆、地震、冒顶三者的区别, 有时将冒顶、地震预测为岩爆。因为微震法是根据探测微震事件及其频度(频度是指单位时间内发生岩爆的次数)异常发生来判别是否有岩爆发生, 而岩爆、地震以及冒顶都有微震事件, 目前微震法无法分清这三者之间的本质区别。

另外, 笔者还发现所有的实测法都有以下两方面的问题:

(1) 准确性问题。由于目前对岩爆的机理还尚未完全弄清楚, 又因为不同的地下工程中所发生的岩爆种类、性质、成因、震级都不一样, 因此使用这些实测法进行岩爆的预测, 很难获得所有反映岩爆的原始数据, 这样就降低了预测岩爆的准确性。

(2) 时间性问题。众所周知, 预测岩爆不但要考虑判断的准确性, 同时还需要强调时间的重要性, 两者不可偏颇。然而, 所有的实测法在预测岩爆时, 未将与岩爆有密切关系的时间因素考虑进去。如果时间这一因素不加考虑, 或重视得不够, 则对预防岩爆是没有任何实际意义的。因为, 就任何一种预测方法来说, 如果预测到了岩爆将要发生, 就必须在岩爆发生之前要有足够的时间采取相应的措施来应付岩爆的发生, 这一点是十分重要的。即使100%的预测是成功的, 如果离岩爆发生的时间很短, 例如只有几个小时, 那么可想而知, 要在这么短的时间内采取有效的措施避免岩爆的发生是不可能的。例如, 用微震法进行预测岩爆时, 如果探测到有微震事件及其频度的异常发生, 这就意味着岩爆将要发生, 假如真的有岩爆发生, 此时岩石已临近破坏, 意味着在很短的时间内岩爆即将发生。由此可见，这样预测所获得的结果, 实际意义是不大的, 这一点是所有实测法的致命之处。直到现在, 还没有一种实测法是很实用的, 很成功的例子几乎没有。

与实测法相比, 理论法在预测岩爆时考虑了时间的因素。理论法在预测岩爆时一个共同的特点就是:当地下工程开挖或开采不久, 甚至在开挖或开采之前, 可以事先取样分析, 预测是否有岩爆发生。如果有此可能则有充分的时间事先采取最有效的措施避免岩爆的发生。这就显示出理论法在时间上的超前性。

前面已提及到, 目前有关预测岩爆的理论法有许多种, 但最常用的只有两种:应力判据与能量判据。笔者曾对许多岩爆预测的理论法做过较系统的研究, 发现绝大多数理论法在预测岩爆时, 其准确性很不理想, 而且还分析了产生这种情况的原因^[7~8]。

3 结语

上述已对岩爆预测方法做了一些分析与探讨。不过, 笔者希望以后做好以下几个方面的研究工作。

(1) 继续加强对引起岩爆因素的研究。从目前的研究情况来看, 岩爆并不是某一种因素引起的结果, 而是多因一果的情况。

(2) 由于对岩爆机理的研究至今还没有一种比较完善的、公认的理论范式, 因此还要深入地探讨岩爆产生的机理。无论是从广度上还是从深度上, 都要加强对岩爆机理的研究。否则, 再建立各种新预测方法也不能反映岩爆的本质, 当然也就没有任何应用价值了。

(3) 今后在建立各种新预测方法的同时, 要始终抓住两个与防治岩爆有着密切关系的因素:判别的准确性和时间性。这一点至关重要。

(4) 在建立预测方法的同时, 还应考虑其应用的广泛性。无论是地下开采或地下开挖, 都可以运用所建立的方法对其进行预测, 不能只限于适用某一地区岩爆的预测。