牛少卿 楊雙鎖，2 李 義

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為了應(yīng)對(duì)采礦等各種地下工程的建設(shè)，學(xué)者們?cè)缭?8世紀(jì)時(shí)就開始研究關(guān)于巖體穩(wěn)定性分級(jí)的方法。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前巖體分級(jí)方法主要有普氏分類法、太沙基分類法、RMR系統(tǒng)分類法、Q系統(tǒng)分類法、QRD分類法以及后來學(xué)者利用模糊數(shù)學(xué)等方法建立的巖體分類標(biāo)準(zhǔn)。其中有以單因素作分類指標(biāo)，也有以多因素按權(quán)值共同作用的分類指標(biāo)［1-4］。這些分類方法在地下工程的應(yīng)用中起到了許多關(guān)鍵作用，然而巖體穩(wěn)定性分類方法在評(píng)價(jià)具體工程時(shí)并不具有準(zhǔn)確的通用性，對(duì)于特定的工程建立特定的巖體穩(wěn)定性分級(jí)的方法與標(biāo)準(zhǔn)就極為重要。

陽煤集團(tuán)五礦后備區(qū)建井時(shí)存在埋深大、巷道斷面大的特征，且地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。為了能合理確定后備區(qū)井底車場(chǎng)不同地段圍巖的穩(wěn)定性級(jí)別及巷道支護(hù)基本措施，本研究通過理論推演、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定等方法給出巷道圍巖穩(wěn)定性判別指標(biāo)及級(jí)別，并應(yīng)用于陽煤集團(tuán)五礦后備區(qū)。

1 巖體穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)的選擇

影響巖體穩(wěn)定性的因數(shù)有巖體的物理力學(xué)參數(shù)、地下空間尺寸和形狀、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、地下施工方式、地下水等，在特定的工程中，每種因素的影響輕重并不相同，針對(duì)該礦后備區(qū)井底車場(chǎng)特征，分析認(rèn)為影響圍巖穩(wěn)定性的因素主要為巷道斷面、應(yīng)力特征及巖體力學(xué)參數(shù)。

地下巖體在未進(jìn)行施工以前大多處于三向應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)巷道開采后，由于二次應(yīng)力場(chǎng)的作用，巷道圍巖體一般處于二維應(yīng)力狀態(tài)，以巷道為圓形斷面分析主應(yīng)力的方向，3個(gè)主應(yīng)力方向分別為巷道的徑向、切向和走向，3個(gè)主應(yīng)力的大小分別為切向大于走向大于徑向，這樣就可以得到σ1=σθ，σ2=σz，σ3=σr=0［5-7］。3個(gè)主應(yīng)力的數(shù)值可以借助于數(shù)值計(jì)算或者地應(yīng)力測(cè)試得到。這樣就得到了巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

多年來學(xué)者們給出的許多關(guān)于巖體強(qiáng)度理論的有益成果表明巖體的承載能力不能通過簡(jiǎn)單的抗壓強(qiáng)度或者抗壓強(qiáng)度來表示，巖體的破壞基本分為剪切破壞和拉伸破壞2種。其中Mohr－Columb強(qiáng)度準(zhǔn)則在描述巖體剪切破壞方面得到了大范圍的認(rèn)可，而Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則在描述巖體拉伸破壞方面也得到了眾多科學(xué)家的檢驗(yàn)［6-9］。為此，判定圍巖破壞應(yīng)從剪切和拉伸兩方面考慮，且可以采用Mohr－Columb強(qiáng)度準(zhǔn)則和Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則合理結(jié)合的方法。

Mohr－Columb強(qiáng)度準(zhǔn)則寫成主應(yīng)力的表達(dá)式為

其中有單軸抗壓強(qiáng)度

式中，c為巖體內(nèi)聚力，φ為巖體內(nèi)摩擦角，而對(duì)于特定巖體來說σc是巖體的特性參數(shù)，其值為常數(shù)。

定義表達(dá)式

經(jīng)過多次測(cè)試運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)出平均識(shí)別率，得到在不同像素分類情況下PNN的識(shí)別率。見表1。除此之外，在以上結(jié)論的前提下（10像素組擁有最佳的識(shí)別效果）與PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也使用相同的特征矩陣進(jìn)行了識(shí)別工作，與其進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?。為了?duì)比的公平，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將采用相同的10像素組特征矩陣進(jìn)行訓(xùn)練和分類。

式(3)分母反應(yīng)巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，分子則反映了巖體的強(qiáng)度特征，故當(dāng)W1大于1時(shí)巖體發(fā)生剪切破壞。據(jù)此可知，物理量W1可以反映圍巖破壞區(qū)域的傾向性，為此可以利用W1作為巖體穩(wěn)定性指標(biāo)。

對(duì)于sinφ，可以利用得到的巖體抗拉強(qiáng)度σt和抗壓強(qiáng)度σc依據(jù)下式求解:

Griffith強(qiáng)度利用主應(yīng)力可以表示為

對(duì)于特定巖體來說σt是巖體的特性參數(shù)，其值為常數(shù)，定義表達(dá)式

同樣，式(6)分母反應(yīng)巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，分子則反映了巖體的強(qiáng)度特征，W2大于1時(shí)巖體發(fā)生拉伸破壞，為此可以利用W2作為巖體穩(wěn)定性指標(biāo)。

W1為評(píng)價(jià)圍巖體剪切破壞的危險(xiǎn)程度的指標(biāo)，W2為評(píng)價(jià)圍巖體拉伸破壞的危險(xiǎn)程度的指標(biāo)。為了能綜合評(píng)價(jià)圍巖體破壞危險(xiǎn)程度，考慮到了巷道圍巖穩(wěn)定性的疊加效應(yīng)，在建立巷道圍巖穩(wěn)定性綜合指標(biāo)時(shí)，利用指標(biāo)W1和W2的乘積作為依據(jù)，期間考慮到由于巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)試中部分?jǐn)?shù)據(jù)無法獲得，如果只有單一指標(biāo)，那么單一指標(biāo)將作為綜合指標(biāo)值，圍巖體穩(wěn)定性綜合指標(biāo)

至此，已得到一個(gè)可以反應(yīng)巷道圍巖穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)W。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)的基本原則

前面獲得了巷道圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，能清楚地認(rèn)識(shí)巷道圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)W在不同情況下圍巖的穩(wěn)定性狀況及所需采取的基本支護(hù)方式。

巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)的目的是明確巷道圍巖的危險(xiǎn)級(jí)別以及給出基本的支護(hù)體系，以這個(gè)目的為基本點(diǎn)建立巷道穩(wěn)定性分級(jí)原則時(shí)，需要給出巖體強(qiáng)度特征與應(yīng)力場(chǎng)特征之間的大小關(guān)系。為此，本研究以巷道圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)W為依據(jù)建立圍巖穩(wěn)定性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)各類別的圍巖制定相應(yīng)的支護(hù)方案。圍巖分類的基本原則:①以巷道圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)W作為圍巖分類的唯一依據(jù);②巷道圍巖分為6個(gè)類別;③對(duì)各個(gè)類別的圍巖制定相應(yīng)的支護(hù)方案。

表1為巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)方案。

獲得巷道圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后，在工程實(shí)踐中就可以根據(jù)巖體的特性以及應(yīng)力場(chǎng)特征對(duì)巷道圍巖進(jìn)行計(jì)算和分級(jí)，并據(jù)此判斷巷道的潛在穩(wěn)定性特征。

表1 巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)

3 五礦后備區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)

為揭示五礦后備區(qū)井底車場(chǎng)巷道的穩(wěn)定性程度，通過現(xiàn)場(chǎng)取芯并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，根據(jù)取樣位置及巖性特征，試樣分為14組，其主要類別為角礫巖、含有泥質(zhì)夾層的砂巖、石灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、砂紙泥巖、泥巖、中粒砂巖、鋁土質(zhì)泥巖。利用巖塊－巖體參數(shù)轉(zhuǎn)化方法(其中考慮巖石類型、巷道埋深、構(gòu)造發(fā)育情況、爆破掘巷等因素)獲得巖體的力學(xué)參數(shù)。

圖1為由單軸抗壓強(qiáng)度、GSI、成巖形式和擾動(dòng)系數(shù)確定巖體力學(xué)參數(shù)圖。

圖1 巖體力學(xué)示意

圖2為巖體壓拉比柱狀圖。從圖2中可以看出壓拉比各不相同，壓拉比大致在6～10范圍，平均值為8，且基本呈正態(tài)分布特征，因此可以認(rèn)為所研究巖體整體特征上基本符合Griffith強(qiáng)度理論8倍的特性，亦即Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則在此有很好的適用性。

圖2 巖樣壓拉比柱狀圖

根據(jù)直墻半圓拱斷面特性，取開挖后巷道應(yīng)力集中系數(shù)為3，根據(jù)前面所給理論計(jì)算可得穩(wěn)定性系數(shù)，巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果見表2、圖3～圖5所示。

表2 五礦后備區(qū)不同巖性巷道圍巖穩(wěn)定性分類

圖3 各組試件穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)比

圖4 各組試件圍巖穩(wěn)定性級(jí)別

圖5 圍巖穩(wěn)定性級(jí)別所占百分比

圖3為所取各組試件各穩(wěn)定性指標(biāo)大小對(duì)比柱狀圖。據(jù)圖可知，在評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性級(jí)別方面，指標(biāo)W1和W2危險(xiǎn)級(jí)別比較均衡，其在評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性中占有相同的地位。

圖5給出了陽煤集團(tuán)五礦后備區(qū)井底車場(chǎng)附近圍巖穩(wěn)定性分級(jí)百分比圖。根據(jù)分級(jí)結(jié)果可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)所取的巖樣中，沒有類別屬于1級(jí)的，處于2級(jí)的占7.1%，處于3級(jí)的占35.7%，處于4級(jí)的占28.6%，處于5級(jí)的占21.4%，處于6級(jí)的占7.1%，因此巷道掘進(jìn)施工支護(hù)是應(yīng)以緊跟工作面掛網(wǎng)、打設(shè)錨桿、離工作面10 m噴射混凝土為主，部分巖性差的區(qū)域安裝“U”型鋼支架。

4 結(jié)論

(1)壓剪破壞與拉伸破壞是巷道圍巖破壞的2種基本形式，利用Mohr－Columb、Griffith相結(jié)合的強(qiáng)度準(zhǔn)則可以判別巷道圍巖破壞。

(2)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度特征是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素，其相對(duì)大小關(guān)系可以合理描述巷道圍巖穩(wěn)定性程度。

(3)巷道的支護(hù)形式與分級(jí)水平密不可分，本研究給出了巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及參考支護(hù)類型。

(4)通過對(duì)五礦井底車場(chǎng)巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)，給出了不同巖性條件下巷道支護(hù)的基本形式。

［1］ Niu SQ，Yang SS，Cui L.Research on the characteristics of strainsoftening model after peak based on Morh-Cloumb theory criterion［J］.Adv Mater Res，2011，261/263:439-1443.

［2］ Yang SS，Niu SQ.Thick board theory on the bolting support of the ribs in coal nine roadway［J］.Adv Mater Res，2011，255/260:3775-3779.

［3］ 楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11):1842-1853.

［4］ 賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［5］ 牛少卿，楊雙鎖，王志剛，等.非均勻水平應(yīng)力場(chǎng)中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，26(3):60-63.

［6］ 楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［7］ Liu B，Yue Z Q，Tham L G.Analytical design method for a trussbolt system for reinforcement of fractured coal mine roofs-illustrated with a case study［J］.International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2005，42:195-218.

［8］ 牛少卿.長(zhǎng)壁開采三順槽圍巖控制理論技術(shù)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2011.

［9］ 楊雙鎖，曹建平.錨桿受力演變機(jī)理及其與合理錨固長(zhǎng)度的相關(guān)性［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(1):1-7.