问题:岩爆因突发性强、能量释放剧烈、破坏范围广,被业内视作深部采矿与隧道工程的“顽疾”。
随着资源开发由浅入深、重大基础设施向高应力复杂地层延伸,岩爆风险呈现高频化、复杂化趋势。
一旦发生,不仅威胁人员安全与设备完整,还会造成停工、工期延误与成本攀升,成为制约深地工程高质量建设的重要不确定因素。
如何实现可预警、可控险、可持续的工程安全体系,是国际工程界长期面临的共性挑战。
原因:岩爆难防,根源在于深地岩体处于高地应力、高温高压与多扰动叠加环境,围岩在开挖卸荷后易产生局部失稳并快速演化为灾变。
其发生具有多尺度、多因素耦合特征:微裂隙的孕育、扩展与贯通往往难以在宏观上直接识别;现场监测信号易受施工噪声与环境变化干扰;同时,不同地层、不同开挖方式、不同支护参数导致规律“因地而异”,使统一预测模型与通用防控手段难以一劳永逸。
回溯我国相关研究起步阶段,20世纪90年代初在缺少统一认识框架、缺少成熟理论、缺少专用试验装备的条件下,科研人员深入矿井一线获取原始数据、建立基本问题边界,为后续体系化创新奠定了实践基座。
影响:围绕岩爆的防控能力,直接关系国家深地开发战略、重大工程安全运行与产业链稳定。
近年来,铁路隧道、水资源配置工程及深部矿山加快推进,工程体量大、环境条件复杂,安全韧性要求显著提高。
岩爆防控的技术突破,不仅能够降低事故风险与建设成本,更能提升施工组织的可预见性,推动“经验型”现场管理向“数据化、机制化、标准化”的安全治理转型。
更重要的是,在关键材料与核心方法上形成自主可控的技术体系,有助于增强我国在深地工程领域的国际竞争力与规则话语权。
对策:面向上述难题,科研团队沿着“材料—结构—方法—验证”的路径持续攻关,形成以能量调控为核心的系统方案。
一方面,团队创造性提出基于“以柔克刚”思路的高性能NPR吸能材料及相应主动支护理念,通过提升支护系统的耗能与变形协调能力,引导岩体释放能量的方式由“脆性破坏”转向“可控耗能”。
据介绍,该类材料在能量吸收性能方面达到国际领先水平,带动关键技术实现由跟踪到引领的跃升。
另一方面,在材料与机理认识基础上,团队提出“开挖补偿法”主动支护体系,将防控策略由“事后应对、被动加固”转为“事前设计、主动调控”,通过开挖—支护—能量管理的协同,提升围岩与支护结构的整体稳定性与韧性。
相关技术已在木寨岭隧道、滇中引水工程及多个深部矿山落地应用,形成可复制、可推广的工程实践样板。
在科研方法层面,团队强调从异常中找规律、用证据链校验结论。
科研人员介绍,实验中出现与预设不一致的破坏过程,并未被简单视作“失败”,而是通过反复比对数据与机理分析,提炼新的破裂前兆规律。
这种以现场问题为牵引、以实验验证为支撑、以工程可用为目标的路线,有助于提升模型可信度与技术可实施性。
与此同时,团队推动多学科融合,将数据驱动方法用于预警识别,从海量监测信息中捕捉微弱前兆信号,并坚持以物理逻辑与实验事实进行交叉校验,提升预警的可解释性与工程可用性,避免技术应用陷入“只给结果不给依据”的风险。
前景:面向深地工程由“规模扩张”向“安全高效、韧性可持续”升级的趋势,岩爆防控将从单点技术突破走向全链条能力建设:在前端,通过地质精细探测、应力环境评估与施工方案优化降低风险底数;在中端,通过高性能耗能材料、主动支护与施工扰动控制实现风险调控;在后端,通过多源监测、可靠预警与应急预案形成闭环治理。
随着更多工程场景验证与标准体系完善,上述“中国方案”有望在更广范围复制推广,并在国际工程合作中发挥示范作用。
与此同时,聚焦深地岩体行为与灾变机理的基础研究仍需持续投入,特别是在复杂条件下的多场耦合、长期服役性能与全寿命周期评估方面,仍有大量未知亟待攻关。
依托科创平台整合资源、完善从论文到现场的转化通道,将进一步释放创新集群效应,为深地安全提供更坚实的技术支撑与人才储备。
从理论空白到技术领跑,我国深地岩爆防控研究的成功实践,生动诠释了新型举国体制下科技创新的强大生命力。
这不仅是几代科研工作者接续奋斗的成果,更体现了我国在关键核心技术领域坚持自主创新、勇攀科技高峰的决心与能力。
面向未来,随着更多青年科技人才投身基础研究和工程实践,我国必将在更多领域实现从跟跑到并跑、领跑的跨越,为建设科技强国注入源源不断的创新动能。