深埋隧洞巖爆案例分析810課件

深埋隧洞典型巖爆案例分析馮夏庭巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所2013.08.10全國防治煤礦沖擊地壓高端論壇，2013.8.10-11，哈爾濱提綱一、受結(jié)構(gòu)面控制的巖爆案例分析二、受爆破擾動誘發(fā)的時滯型巖爆案例分析三、底板開裂及上抬巖爆案例分析四、巖爆孕育過程的數(shù)值仿真分析五、基本認(rèn)識與思考一、受結(jié)構(gòu)面控制的巖爆案例分析1.結(jié)構(gòu)面對巖爆位置的控制SK9+283~9+317極強巖爆(11·28巖爆)結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致排水洞SK9+283~9+322開挖過程發(fā)生多次高等級巖爆(TBM，2009)巖爆區(qū)域2360mT2b900010000

北

硬性結(jié)構(gòu)面(斷層)排水洞南

北面向西榀拱架嚴(yán)重變形榀拱架斷裂榀拱架斷裂10月9日,SK9+301~9+322發(fā)生極強巖爆，導(dǎo)致掌子面處TBM刀盤被卡住，至10月26日仍然未清理完畢11月6日17:52，SK9+292.2發(fā)生強烈?guī)r爆，響聲很大，導(dǎo)致TBM中心線再次出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，其中水平為13.4mm，高差為8.9mm。SK9+296~9+291(向掌子面前延伸1m)11月7日3:09刀盤內(nèi)部、護(hù)盾內(nèi)側(cè)發(fā)生強烈?guī)r爆，響聲很大，導(dǎo)致TBM左側(cè)錨桿鉆機減速器及剎車等損壞，TBM再次卡機護(hù)盾上部石渣

錨桿鉆機3mSK9+291~9+289斷面北側(cè)拱肩

2mSK9+292~9+290斷面南側(cè)腰線

1mSK9+292~9+291斷面頂拱

2009年11月7日強巖爆后，11月13日恢復(fù)掘進(jìn)后兩天(向前開挖不到4m)，即11月15日18:06和18:58

SK9+292

~9+288再次發(fā)生極強巖爆，導(dǎo)致TBM再次卡機排水洞面向西爆坑邊界線2009年11月28日0:50左右,SK9+283~9+317發(fā)生極強巖爆，爆坑深約5~8m，掌子面后方約30m范圍的支護(hù)系統(tǒng)全部被毀損，TBM嚴(yán)重?fù)p壞，爆出巖塊估計達(dá)400余方，導(dǎo)致7人死亡硬性結(jié)構(gòu)面(斷層)面向西硬性結(jié)構(gòu)面(斷層)排水洞8m原因分析:

結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力超過靜剪切強度FAI:≥2LERR集中FAILERR硬性結(jié)構(gòu)面(斷層)硬性結(jié)構(gòu)面(斷層)啟示斷裂、硬性結(jié)構(gòu)面對巖爆孕育起到促進(jìn)作用預(yù)防巖爆：加強斷裂的預(yù)判僅靠支護(hù)是不夠的間歇開挖低速率勻速開挖導(dǎo)洞+TBM擴挖開挖由斷裂上盤向前推進(jìn)結(jié)構(gòu)面對即時型巖爆孕育機制的影響隨著結(jié)構(gòu)面條/組數(shù)的增加，巖爆孕育機制變得越發(fā)復(fù)雜：張拉事件比例降低，而剪切和混合事件的比例相對增加百分比/%巖石破裂類型二、受爆破擾動誘發(fā)的時滯型巖爆案例分析1.上臺階開挖時滯型巖爆2011年8月29日SK4+990~5+020發(fā)生中等時滯型巖爆，滯后開挖時間35天，滯后貫通掌子面（8月28日12:50）180m；巖爆破壞范圍高2~4m，長30m，最大坑深0.9m支護(hù)：初噴+系統(tǒng)錨桿地質(zhì)：T2b灰白色厚層狀粗晶大理巖，巖體較完整，屬Ⅲ類圍巖系統(tǒng)錨桿系統(tǒng)錨桿隨機錨桿初噴風(fēng)筒1900mT2b巖爆位置微震活動特征：活躍→平靜→再度活躍→平靜→巖爆原因分析:(1)聚集了大量未得到充分釋放的應(yīng)變能，提供了能量基礎(chǔ)(2)頻繁受到附近掌子面，尤其是3-4-W掌子面的爆破擾動作用巖爆段位于(X＜-3D，微震事件及掌子面分布巖爆段位于-3D≤X＜0爆破擾動情況微震事件隨時間演化規(guī)律爆心距/m爆破時間/月-日微震事件數(shù)/個日期/月-日X＜-3D-3D≤X＜0X＜-3D,巖爆后巖爆孕育期①X－掌子面與巖爆

區(qū)域的距離，

前“+”,后

“-”D－隧洞跨度☆※－中等時滯型

巖爆①－巖爆區(qū)位于0≤X＜1.5D☆※2.下臺階開挖時滯型巖爆11.4日掌子面10.29日巖爆位置輔引110.29日掌子面11.4日巖爆位置排水洞4#引水隧洞3#引水隧洞斷層掘進(jìn)方向巖爆段支護(hù)情況：上斷面：已完成系統(tǒng)錨桿，掛有鋼筋網(wǎng)，并已噴射混凝土下斷面：暫未支護(hù)2387mT2b巖爆時間(2011)巖爆位置引(4)距下斷面開挖時間及距離距上斷面開挖時間10.298+237~248>10天56m113天11.48+220~23715天50m117天巖爆位置微震事件隨時間演化規(guī)律日期/月-日微震事件/個★※★※開挖期數(shù)據(jù)缺失開挖卸荷效應(yīng)影響范圍之外（X＜-3D）落底開挖★※－強烈時滯型巖爆開挖卸荷效應(yīng)影響范圍之內(nèi)停止監(jiān)測橫剖面圖10.29巖爆11.4巖爆平面投影圖10.29巖爆原因分析：斷層附近應(yīng)力異常區(qū)上臺階開挖后，爆破擾動下，微震活動活躍，巖爆段聚集大量應(yīng)變能鋼筋網(wǎng)外露，系統(tǒng)支護(hù)未完全發(fā)揮作用落底開挖使應(yīng)力發(fā)生再調(diào)整落底爆破擾動誘發(fā)應(yīng)變能突然釋放，導(dǎo)致巖爆下臺階開挖開挖前：檢查上斷面巖體破壞情況，及支護(hù)效果，尤其是拱腳支護(hù)效果，對其進(jìn)行綜合分析后，根據(jù)需要進(jìn)行必要的加強支護(hù)開挖時：采用機械施工，改進(jìn)爆破工藝，控制每次爆破開挖方量開挖后：開挖通過后，密切關(guān)注原微震活動活躍區(qū)域巖體穩(wěn)定性，及時加強支護(hù)，避免或降低落底開挖擾動誘發(fā)時滯型巖爆，最大限度地降低巖爆造成的損失啟示數(shù)條隧洞平行布置時，優(yōu)先開挖距其最近的隧洞，且各掌子面沿軸線方向拉開一定距離、呈階梯式推進(jìn)，利用其開挖空間進(jìn)行減震2#洞掌子面11+00611+02311+060南側(cè)裂縫該條裂縫局部可見深度約1m，張開約10cm該部位排水溝鼓起、拱腳圍巖彈射造成鋼筋網(wǎng)損壞11+050該部位已施工錨桿脫落懸空掘進(jìn)方向出渣裝載車振動偏移北側(cè)拱肩之前已多次巖爆，局部坑深2m11+015北側(cè)NWW結(jié)構(gòu)面西東北側(cè)1.上臺階開挖：引(2)11+023~11+060極強巖爆2010年2月4日14:53發(fā)生，底板開裂三、底板開裂及上抬巖爆案例分析巖爆前局部巖爆坑深達(dá)2m引(2)11+023~11+060m洞段南側(cè)拱腳圍巖普遍彈出脫落11+050~11+060洞段南側(cè)邊墻部位鋼筋網(wǎng)受巖爆碎石沖擊脫落該洞段排水溝鼓起開裂，地下水經(jīng)由開裂巖石底部流出巖爆主爆區(qū)漲殼式中空注漿預(yù)應(yīng)力錨桿，T=80kNNWW結(jié)構(gòu)面V形爆坑出渣裝載車移位，擋風(fēng)玻璃完全脫落巖爆主爆區(qū)已裝半車巖渣擋風(fēng)玻璃完全脫落裂縫貫通上臺階底板，可見深度1m，寬約10cm，該段圍巖完整，無明顯結(jié)構(gòu)面原因分析巖爆段位于向斜核部附近地應(yīng)力異常區(qū)NWW結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致局部高應(yīng)力集中及時有效的上斷面噴層和系統(tǒng)錨桿支護(hù)，提高了巖體極限儲能，使積蓄的應(yīng)變能因無法得到釋放而向無支護(hù)或支護(hù)薄弱的拱腳和底板轉(zhuǎn)移馬蹄形斷面的拱腳存在高應(yīng)力集中，形成高能量聚積爆破擾動的觸發(fā)(巖爆區(qū)距掌子面約15m，發(fā)生于爆破后48分鐘)1952mT2b向斜核部應(yīng)力異常區(qū)巖爆位置NWW結(jié)構(gòu)面噴層系統(tǒng)錨桿V形爆坑3-4-W，引(4)6+010~6+025底板上抬原底板線3-P-W，SK5+540~5+560南側(cè)邊墻巖爆邊墻開裂3-4-W掌子面3-P-W掌子面2.上臺階開挖二：4#引水隧洞引(4)6+010~6+025極強巖爆2011年4月16日發(fā)生，底板上抬，其中掌子面附近達(dá)2mSK5+540~5+560南側(cè)邊墻發(fā)生中等時滯型巖爆，北側(cè)邊墻初噴開裂3-4-W與3-P-W巖爆發(fā)生于3-4-W放炮后27分鐘，兩者幾乎同步發(fā)生，前后相差約17秒50m埋深約2100m，巖性為T2b灰白色厚層狀細(xì)晶大理巖；發(fā)育2-3組節(jié)理3-4-W與3-P-W已完成系統(tǒng)錨桿支護(hù)2100mT2b巖爆位置3-4-W，引(4)6+010~6+025原路面墊渣0.5m底板新鮮巖層上抬1.5m系統(tǒng)錨桿南側(cè)拱腳圍巖已完全破碎北側(cè)拱腳圍巖已完全破碎3-3-W3-4-W3-P-W底板上抬中等時滯型巖爆原因分析：(1)底板聚集高應(yīng)變能3-4-W巖爆區(qū)南側(cè)隔離巖柱內(nèi)事件聚集且多為大事件，巖體破裂活動劇烈，高應(yīng)力集中向3-4-W底板轉(zhuǎn)移，形成高能量聚集區(qū)3-4-W巖爆區(qū)巖體較完整，屬Ⅲ類圍巖，聚能能力較強；而巖體破裂活動較緩和，能量未得到很好耗散上臺階開挖期間微震事件隨時間演化規(guī)律上臺階開挖期間微震事件空間分布累計微震能E/106J事件當(dāng)?shù)卣鸺墪r間/月-日-0.23-4-W巖爆累計微震能E/106J事件當(dāng)?shù)卣鸺墪r間/月-日-0.2巖爆3-P-W(2)上斷面系統(tǒng)錨桿緊跟掌子面，有效提高了圍巖強度和極限儲能能力，導(dǎo)致應(yīng)變能向未進(jìn)行任何支護(hù)、強度相對較低的底板轉(zhuǎn)移(3)馬蹄形斷面的圓弧面上光滑、成型好，應(yīng)力分布均勻，不易形成應(yīng)力集中，而拱腳處存在高應(yīng)力集中，現(xiàn)場破壞情況證實了這一點3-4-W巖爆發(fā)生區(qū)域系統(tǒng)錨桿系統(tǒng)錨桿3-4-W掌子面附近北側(cè)系統(tǒng)錨桿及拱腳破壞系統(tǒng)錨桿兩側(cè)拱腳圍巖已完全破碎下臺階上臺階(4)爆破擾動強烈頻繁受到附近掌子面爆破擾動作用3-4-W掌子面4月16日8:30炮次：進(jìn)尺4m，炸藥450kg，比平均藥量多出近80kg，為近半月來藥量最大的一次爆破；巖爆發(fā)生于爆破后27分鐘3-4-W洞段開挖期間每次爆破藥量情況(2011年)時間/月-日每次爆破藥量/kg與巖爆對應(yīng)的炮次平均藥量3-3-W3-4-W3-P-W底板上抬73m107m附近掌子面爆破對巖爆段的影響3.下臺階開挖：3#引水隧洞引(3)5+730~5+790強烈?guī)r爆2011年11月26日19:10發(fā)生，北側(cè)邊墻爆坑最深約3m，洞底上抬約60cm，引(3)5+730~742洞底多處裂開。26日掌子面樁號約引(3)5+742埋深：1963m，巖性為T2b灰白色厚層狀細(xì)晶大理巖巖爆段周圍支護(hù)情況：上斷面：已完成系統(tǒng)錨桿，掛有鋼筋網(wǎng)，并已噴射混凝土下斷面：剛開挖，暫未支護(hù)1963mT2b工程地質(zhì)剖面圖巖爆位置引(3)5+742~790北側(cè)邊墻（清理后，最深約達(dá)3m）

上斷面與下斷面分界線爆坑最深處引(3)5+742~770南側(cè)邊墻引(3)5+730~742上斷面洞底多處裂開引(3)5+742~780洞底抬升（最高約60cm）抬升部位上臺階開挖微震事件隨時間演化規(guī)律日期/月-日累計微震能/MJ事件震級發(fā)生巖爆時段未發(fā)生巖爆時段-0.26.20~7.57.6~9.3上臺階開挖微震事件空間分布規(guī)律巖爆區(qū)巖爆區(qū)(a)橫剖面(a)橫剖面(b)平面投影(b)平面投影原因分析：(1)上斷面3次巖爆后，及時加強的系統(tǒng)支護(hù)提高了巖體強度，事件向圍巖深部和底板擴展，表明應(yīng)力和能量發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在底板形成高能量聚集區(qū)排水洞排水洞引(3)5+730~5+790巖爆情況ABCD北南A上斷面6月24日5775~5788中等B上斷面7月2日5728~5743中等C上斷面7月5日5760~5780滯中D下斷面11月26日5730-5790強烈(3)落底開挖，破壞了底板巖體的完整性，尤其是對拱腳的破壞嚴(yán)重降底了底板巖體的強度，解除了底板巖體對高應(yīng)變能的約束，為高應(yīng)變能的釋放提供了條件(4)爆破擾動的觸發(fā)（巖爆滯后于落底爆破約1分鐘）落底開挖上臺階開挖上臺階開挖輪廓線下臺階開挖輪廓線底板松動爆破孔本循環(huán)上臺階開挖爆破孔底板松動爆破孔下臺階開挖邊界上臺階開挖邊界循環(huán)進(jìn)尺底板松動爆破孔布置圖啟示1)上臺階開挖：修改開挖斷面形態(tài)：拱腳布置成過度平緩的圓弧形加強邊墻、拱頂支護(hù)的同時，加強兩側(cè)拱腳支護(hù)，并保證支護(hù)質(zhì)量必要時對底板實施少量鉆孔的松動爆破，使應(yīng)變能向底板深部轉(zhuǎn)移在局部區(qū)域如拱腳布置應(yīng)力釋放孔或應(yīng)力解除爆破采用短進(jìn)尺、弱爆破，減弱爆破震動，

并錯開或延長各次爆破的周期開挖斷面形態(tài)的變更上臺階上臺階加強拱腳支護(hù)示意圖4.SimulationofrockburstevolutionprocessSectionalshapemeasuredbypracticalengineeringThefinalsectionalshapebetweenpracticalengineeringandthepresentmethodsimulationareveryclose.ComparisonforsectionalshapeofrockburstSimulationresultbypresentmethodDisplacementevolutionwithrockfailureprocess2steps4steps6steps8steps4.Simulationofrockburstevolutionprocess5.3Displacementevolutionwithrockfailureprocess12steps15steps18steps21steps4.SimulationofrockburstevolutionprocessDisplacementevolutionwithrockfailureprocess8stepsRevealthefailureprocessofrockfromcrackinitiation,tocrackpropagationandcrackcoalescence,untilrockblockforming4.Simulationofrockburstevolutionprocess

Stressevolutionwithrockfailureprocess4.Simulationofrockburstevolutionprocess

EvolutionofequivalentplasticstrainwithrockfailureprocessMuchlargerofequivalentplasticstraincanbeseenforrockwhichisclosetotheboundaryofcavern.4.SimulationofrockburstevolutionprocessEvolutionofFractureApproachingIndexwithrockfailureprocessMuchlargervalueofFractureapproachingindexcanbeseenforrockwhichisclosetotheboundaryofcavernandthepathsofcrackpropagation,whichmeansthatrockinthoseplacesareseriouslydamaged4.SimulationofrockburstevolutionprocessEvolutionofLocalenergyreleaseratewithrockfailureprocess4.SimulationofrockburstevolutionprocessEvolutionofacousticemissionwithrockfailureprocessItisobviousthatacousticemissionactivityisactivearoundtheboundaryofcavern4.Simulationofrockburstevolutionprocess1.對于具有強巖爆風(fēng)險的深埋地下工程，應(yīng)加強巖爆監(jiān)測(微震監(jiān)測)，及時掌握巖體破壞趨勢，基于微震信息演化可以定量地進(jìn)行巖爆預(yù)警和動態(tài)調(diào)控，預(yù)警：區(qū)域、等級斷面上位置、爆坑深度2.動態(tài)調(diào)控由于施工條件的難以預(yù)知性、開挖參數(shù)及支護(hù)方案與設(shè)計的不一致性等原因，有必要進(jìn)行巖爆動態(tài)調(diào)控兩掌子面相向掘進(jìn)時貫通前巖爆動態(tài)調(diào)控通過優(yōu)化2個相向掘進(jìn)的掌子面之間的距離，盡可能降低因兩掌子面相向掘進(jìn)而引起巖柱內(nèi)互相擾動的影響基于微震實時監(jiān)測信息時空演化規(guī)律，適時確定相向掘進(jìn)改單向掘進(jìn)的時機以及應(yīng)停止掘進(jìn)的掌子面五、基本認(rèn)識和思考中等巖爆預(yù)警進(jìn)尺12.02m進(jìn)尺13