石头会爆炸吗知乎「石头会爆炸吗」

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2023-01-05 14:40:19 0 评论 67 阅读

石头会爆炸吗？
“
石头，又叫岩石，是日常生活中常见的一种天然材料，我们对它再熟悉不过了。我们的祖先，实现了从古猿到人类的跨越，很大程度上就在于学会了用石头来制作工具。那么，看似坚不可摧的石头，真的会爆炸吗？
答案是肯定的。这种石头的爆炸，我们称之为“岩爆”。不过大家不用担心，岩爆只发生在地下，尤其是很深的地下。所以我们不必害怕身边的石头会突然爆炸，但是，岩爆却成为了地下工程建设中让建设者们很头疼的一个难题。
图1 岩爆是深部地质工程施工中常见的一种灾害

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石头会爆炸吗？

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石头，又叫岩石，是日常生活中常见的一种天然材料，我们对它再熟悉不过了。我们的祖先，实现了从古猿到人类的跨越，很大程度上就在于学会了用石头来制作工具。那么，看似坚不可摧的石头，真的会爆炸吗？

答案是肯定的。这种石头的爆炸，我们称之为“岩爆”。不过大家不用担心，岩爆只发生在地下，尤其是很深的地下。所以我们不必害怕身边的石头会突然爆炸，但是，岩爆却成为了地下工程建设中让建设者们很头疼的一个难题。

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图1 岩爆是深部地质工程施工中常见的一种灾害

那么问题来了，石头为什么会爆炸呢？为了探究石头“爆炸”的原因，我们首先要认识一下地应力。

地应力，指的是地下的某处岩石，在没有受到人类工程影响的前提下，所受到周围岩石作用的天然应力(注：应力指的是物体内部单位面积受到的力，与压强概念类似)。它主要由自重应力和构造应力两部分组成[1]。

我们知道，地球上的所有物体都会受到地球的引力作用，引力和物体自身的惯性力的合力就是重力。随着物体一层一层地堆积，下面的物体，随之承受其上所有物体的重力。就像水一样，深度越深，受到上部水的压力越大，水压也越大。这种由自身重力引起的应力，就是“自重应力”。

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图2 下部的岩石，受到上部所有岩石的压力

板块构造理论告诉我们，地球表面的地壳是在运动的。岩石与岩石之间，存在着挤压、拉伸、剪切等多种相互作用。这些相互作用，对岩石产生了另一种应力，就是“构造应力”。构造活动越强烈的地区，构造应力也越大。

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图3 常见的构造运动

因此，不同区域和不同深度下的地应力，大小也不一样。地下深处，以及构造活动强烈的地区，往往是高应力地区。岩爆的发生，除了需要高地应力以外，还取决于岩体自身的性质。岩体的强度越高，脆性越强，越容易发生岩爆。因此，岩爆常常发生在高地应力地区的花岗岩、砂岩、闪长岩等硬脆的岩体中[2]。

我们可以把地下的岩石想象成由一个个正方体石块组成的整体。每一个正方体石块，六个面都会受到相邻石块的应力作用。在天然状态下，正方体石块的受力是平衡的，也就是说，在X、Y和Z三个方向上合力为零。在地下开挖过程中，一部分岩体被挖走，原本在岩体内部的石块露在了外面，开挖一侧的应力消失，原本的平衡被打破。

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图4 隧道开挖中，地下岩体的受力状态发生变化，

原有的平衡被打破（a），离开挖处较远的岩体则不受影响（b）

在地应力较小的地方开挖隧道时，隧道岩体可以通过少量的变形，和及时的支护措施等手段来提供阻力，从而达到新的平衡。但在地应力较大的地区，这两种方法常常不适用了。当岩体较软时，它会持续地发生变形来寻求新的平衡；而当岩体较硬时，在应力的作用下，岩体内的能量则不断积聚，直到超出岩体的承受能力，积累的能量在一瞬间释放，就发生了“岩爆”。

岩爆的发生时间具有高度不确定性。隧道可能刚刚挖开，立马就发生岩爆，也可能在挖好一段时间后才发生。岩爆发生时，就如同火药爆炸一样，可以听到岩体内隆隆的响声和噼啪的断裂声。同时，块石呈薄片状，在洞壁上向外弹射，四处飞溅，弹射距离可达数米甚至数十米。

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图5 岩爆发生时，块石呈片状向外飞溅，隆隆作响。

作为深部工程开挖过程中常见的一种地质灾害，岩爆严重威胁着施工人员和设备的安全，影响了施工进度，甚至会摧毁整个工程乃至诱发地震，带来不可估量的经济损失和人员伤亡。1958年，加拿大Springhill矿发生的一次岩爆导致75人死亡；1963年南非的6个金属矿共计发生了281次岩爆；我国的秦岭隧道、苍岭隧道等地下工程建设的过程中也岩爆频发[3]。目前，科学家和工程师们已对岩爆的形成与预防有了初步的认识，并建立了一系列监测预警和防治方法。

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