陳慶發(fā)，韋才壽，牛文靜，陳德炎，馮春輝，范秋雁

（廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院，南寧 530004）

1 引 言

我國(guó)礦山約70%為地下開采，頂板穩(wěn)定性分級(jí)一直是礦山安全管理的重要內(nèi)容。在金屬礦山領(lǐng)域，許多學(xué)者對(duì)頂板穩(wěn)定分級(jí)進(jìn)行了積極探索，如：胡平安[1]采用定性與定量分析相結(jié)合的方法對(duì)頂板穩(wěn)定性分級(jí)進(jìn)行研究；王紅漢等[2]提出了頂板穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)和分級(jí)方法；王永清[3]依據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)類型將礦山頂板安全管理分為3 級(jí)；孟中華等[4]提出了實(shí)施頂板動(dòng)態(tài)分級(jí)管理方法；王寧等[5]提出了聲發(fā)射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)頂板安全分級(jí)新方法。

上述研究中，巖體完整性程度均作為頂板穩(wěn)定性分級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)，在評(píng)價(jià)該因素對(duì)頂板圍巖穩(wěn)定性影響時(shí)，以節(jié)理間距、巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD[6-7]值等進(jìn)行量衡，但量衡方法均是從一維角度對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，難以準(zhǔn)確反映巖體三維空間上受結(jié)構(gòu)面的切割情況，對(duì)巖體完整性程度描述不夠真實(shí)客觀，且靠鉆孔的辦法來(lái)獲取RQD 要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間。

為能夠更加客觀真實(shí)描述巖體的完整性程度，克服傳統(tǒng)描述方法中存在的不足。引入裂隙巖體塊體化程度分級(jí)理論[8]，開展了基于該理論的裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)研究，從而創(chuàng)新形成了一種特別適用于裂隙巖體工程頂板穩(wěn)定性分級(jí)的BT 分級(jí)方法，并將其應(yīng)用于廣西華錫集團(tuán)銅坑礦92號(hào)礦體裂隙巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)評(píng)價(jià)中。

2 BT 分級(jí)方法理論基礎(chǔ)

2.1 裂隙巖體塊體化程度理論

(1)塊體百分比

巖體塊體化程度的指標(biāo)：塊體百分比K，其定義為巖體中被結(jié)構(gòu)面切割圈閉形成有限塊體的體積和與巖體總體積的比值，范圍為0～100%[8]，其表達(dá)式為

式中：vi為各有限塊體的體積；n為塊體個(gè)數(shù)；V為人為劃定或巖體模擬中的巖體總體積。

(2)塊體體積曲線

塊體體積曲線是將土力學(xué)中用來(lái)分析土的粒徑級(jí)配分布的級(jí)配曲線引入巖體研究領(lǐng)域中而提出的概念。它比塊體百分比反映信息多，除了能夠描述巖體的完整性程度以外，還能夠反映出巖體被裂隙切割形成塊體的規(guī)模，即在巖體內(nèi)形成的塊體體積大小、數(shù)目以及各個(gè)塊體體積差距大小等。在塊體體積曲線中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)塊體的體積大小，縱坐標(biāo)表示小于某體積的塊體的累積百分含量。縱坐標(biāo)為10%、30%、60%所對(duì)應(yīng)的塊體體積大小d10、d30、d60分別為有效體積、中值體積、限定體積。

通過(guò)曲線形狀可以判斷巖體中塊體不均勻程度：曲線越陡表示巖體中塊體體積越均勻；反之，則表示巖體中塊體體積越不均勻。

2.2 塊體化程度分類標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[8]給出了塊體化分類，如表1 所示。該分類標(biāo)準(zhǔn)與以往經(jīng)常用巖體內(nèi)部不連續(xù)面的信息來(lái)劃分頂板巖體類型相比更準(zhǔn)確直接，這對(duì)裂隙巖體自然塊度描述更加全面，能夠更客觀地刻劃巖體完整性。

表1 裂隙巖體塊體化程度分類表Table 1 Blockiness classification of fractured rock mass

2.3 塊體化程度解算流程

根據(jù)裂隙巖體塊體化程度理論，構(gòu)建出裂隙巖體巷道頂板塊體化程度解算流程，如圖1 所示。

（1）巷道頂板結(jié)構(gòu)面調(diào)查

采用精測(cè)網(wǎng)法對(duì)巷道頂板結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查[9]，圖2為精測(cè)網(wǎng)法示意圖，圖中A(xa,ya)，B(xb,yb)為一條裂隙跡線的兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)。

（2）結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)初步整理

建立裂隙巖體數(shù)學(xué)模型需對(duì)巖體中各確定結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，包括結(jié)構(gòu)面的空間位置、方向、形狀、大小等。運(yùn)用Dips 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分組后，用Excel 軟件對(duì)各分組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，確定各組結(jié)構(gòu)面的具體參數(shù)，掌握結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律。

（3）表征單元體尺寸確定

某一參數(shù)達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，巖體范圍臨界尺寸稱為該參數(shù)的表征單元體(REV)[10-11]。塊體百分比的表征單元體是指塊體百分比達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)巖體的臨界尺[12]。從統(tǒng)計(jì)角度來(lái)看，巖體范圍太小，結(jié)果隨機(jī)性大，統(tǒng)計(jì)規(guī)律失真；但太大的巖體范圍又受到計(jì)算機(jī)能力限制。從塊體化程度角度，大多數(shù)裂隙巖體的REV 大小在4 倍與12 倍裂隙間距之間，不超過(guò)12倍間距[13]。

（4）裂隙巖體數(shù)學(xué)模型的建立

基于一般塊體理論開發(fā)的GeneralBlock 軟件[14]是目前惟一能在有限延展裂隙條件下識(shí)別出所有塊體的軟件，將實(shí)際調(diào)查的結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)及選定的表征單元體尺寸輸入到軟件中，建立裂隙巖體數(shù)學(xué)模型，識(shí)別出所有塊體，計(jì)算出各塊體體積。利用Excel軟件對(duì)體積數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪圖，分析可得塊體百分比與體積曲線，對(duì)照表1 得出巖體塊體化程度類型。

圖1 裂隙巖體巷道頂板塊體化程度解算流程Fig.1 Blockiness solving process of roadway roof in fractured rock mass

圖2 精測(cè)網(wǎng)法Fig.2 Precise and accurate network method

3 BT 分級(jí)方法

BT 分級(jí)方法是以裂隙巖體塊體化程度理論為基礎(chǔ)，是以巖體塊體化程度、巖石抗壓強(qiáng)度、節(jié)理?xiàng)l件、地下水條件為重要指標(biāo)的一種特別適用于裂隙巖體穩(wěn)定性分級(jí)的評(píng)價(jià)體系。該方法以工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照一定的評(píng)分準(zhǔn)則對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行取值，綜合計(jì)算出所研究對(duì)象的總分值，對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巷道頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

3.1 工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

實(shí)地踏勘裂隙巖體巷道工程現(xiàn)場(chǎng)，掌握裂隙巖體巷道穩(wěn)定狀況，開展工程地質(zhì)調(diào)查，收集相關(guān)結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)資料。

3.2 BT 分級(jí)指標(biāo)確定

目前，在礦巖體穩(wěn)定性分級(jí)的各種方法中，多以巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD 值、巖石單軸抗壓強(qiáng)度、節(jié)理間距、節(jié)理特征和地下水作為穩(wěn)定性分級(jí)的主要指標(biāo)。

基于塊體化程度在三維上描述頂板圍巖結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)，BT 分級(jí)法采用塊體化程度指標(biāo)代替表征巖體的完整性的巖體質(zhì)量RQD 值和節(jié)理間距兩項(xiàng)子指標(biāo)，從而形成以巖體塊體化程度、巖石單軸抗壓強(qiáng)度、節(jié)理?xiàng)l件和地下水條件等代表性分級(jí)指標(biāo)。

3.3 BT 分級(jí)方法各指標(biāo)評(píng)分值計(jì)算

（1）分級(jí)指標(biāo)權(quán)重確定

為合理反映各項(xiàng)指標(biāo)（影響因素）影響程度，利用層次分析法（AHP 法）確定裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)權(quán)重分配。

首先，構(gòu)建裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)的層次分析模型，如圖3 所示，A 代表目標(biāo)層，BiB代表指標(biāo)層。

圖3 裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性主要影響因素層次分析模型Fig.3 Main factors hierarchical analysis model affecting the roadway roof stability in fractured rock mass

然后，參照巖體地質(zhì)力學(xué)（RMR）分類方法中各指標(biāo)的最高評(píng)分值的大小，對(duì)各指標(biāo)重要程度進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，其中巖體塊體化程度的重要性依據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD 值和節(jié)理間距兩個(gè)指標(biāo)的最高評(píng)分值之和進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照層次分析法計(jì)算步驟計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)值。

最后，根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各因素權(quán)值w，求出最大特征值 λmax=4，一致性指標(biāo)CI=0，進(jìn)行一致性和隨機(jī)檢驗(yàn)，隨機(jī)一致性比率0 ≤0.1，計(jì)算結(jié)果具有滿意的一致性。最終，可得到各影響因素指標(biāo)的權(quán)重分配，各因素對(duì)目標(biāo)的權(quán)重向量W=(W1,W2,W3,W4)=(0.4,0.15,0.3,0.15)，如表2 所示。

表2 BT 分級(jí)法各指標(biāo)權(quán)重分配表Table 2 Weight distributions of the BT classification method

（2）各項(xiàng)指標(biāo)取值原則

根據(jù)已確定的分級(jí)指標(biāo)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分。依據(jù)各等級(jí)的優(yōu)劣程度確定評(píng)分值（采用百分制），對(duì)巷道穩(wěn)定越有利評(píng)分值越高，最有利的取100分，最不利的等級(jí)取0 分。

巖體塊體化程度和單軸抗壓強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)的易定量化表示，為使取值盡可能精確，先對(duì)各參數(shù)進(jìn)行區(qū)間劃分，再確定各參數(shù)區(qū)間相應(yīng)取值范圍。節(jié)理面條件和地下水條件兩項(xiàng)指標(biāo)不易采用定量表示的指標(biāo)，則需定性劃分后再進(jìn)行定量化。表3為裂隙巖體巷道穩(wěn)定性分級(jí)各指標(biāo)取值表。

（3）各指標(biāo)分值確定

根據(jù)具體工程各項(xiàng)指標(biāo)的情況，對(duì)照取值標(biāo)準(zhǔn)表直接進(jìn)行評(píng)分取值，當(dāng)同一指標(biāo)存在多種情況時(shí)，該指標(biāo)的分值還需要按照各種情況出現(xiàn)的比例加權(quán)平均計(jì)算后確定。各指標(biāo)分值向量U=(u1,u2,u3,u4)，ui為第i 項(xiàng)因素評(píng)分值。其中巖體塊體化程度的分值u1按式（2）計(jì)算：

式中：K 依據(jù)式（1）分析計(jì)算所得。

（4）總評(píng)分值計(jì)算

BT 分級(jí)法總評(píng)分值計(jì)算公式如下：

式中：F為BT 分級(jí)法總評(píng)分值；U為各指標(biāo)的分值向量；W為各因素對(duì)目標(biāo)的權(quán)重向量。

3.4 BT 分級(jí)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照傳統(tǒng)分級(jí)方法的標(biāo)準(zhǔn)，整合我國(guó)部分礦山在頂板穩(wěn)定性的分級(jí)的研究成果，將裂隙巖體巷道頂板的穩(wěn)定性劃分4個(gè)等級(jí)，即為極穩(wěn)定（Ⅰ級(jí)）、中等穩(wěn)定（Ⅱ級(jí)）、不穩(wěn)定（Ⅲ級(jí)）和極不穩(wěn)定（Ⅳ級(jí)）4個(gè)級(jí)別，穩(wěn)定級(jí)別的綜合評(píng)分值采用等區(qū)間劃分。

表4為推薦采用的裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，具體應(yīng)用根據(jù)工程具體情況適當(dāng)修正。

表3 BT 分級(jí)法各指標(biāo)取值表Table 3 Index values of the BT classification method

表4 BT 分級(jí)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表Table 4 Evaluation standards of the BT classification method

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

銅坑礦是廣西華錫集團(tuán)股份有限公司下屬的二級(jí)單位，屬國(guó)有大型礦山企業(yè)，年生產(chǎn)能力為220×104t。銅坑礦有上中下3個(gè)大型礦體，依次分別為細(xì)脈帶礦體、91號(hào)富礦體和92號(hào)巨型貧礦體。前礦體開采已經(jīng)結(jié)束，目前正在大量開采92號(hào)礦體。

銅坑礦92號(hào)礦巖體硬度大，部分區(qū)域節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體完整性差。崩落法回采過(guò)程中，鑿巖巷道經(jīng)常出現(xiàn)冒頂、整體跨塌的現(xiàn)象，甚至在局部破碎區(qū)域采用加固措施后仍出現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)象，極大影響了礦山安全生產(chǎn)工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，部分巷道出現(xiàn)有松動(dòng)掉塊、頂板離層冒落、掛網(wǎng)破裂、錨桿失效等失穩(wěn)破壞形式，如圖4 所示。為保證巷道頂板安全穩(wěn)定，需對(duì)裂隙巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，旨在能為巷道頂板的支護(hù)管理提供更加科學(xué)依據(jù)，以促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)。

圖4 92號(hào)礦體裂隙巖體部分巷道頂板破壞失穩(wěn)現(xiàn)象Fig.4 Destruction instability phenomena of the part roadway roof in the fractured rock mass of ore body No.92

4.2 裂隙巖體巷道頂板結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析

實(shí)踐中對(duì)92號(hào)礦體裂隙巖體選擇了4個(gè)試驗(yàn)區(qū)，采用精細(xì)網(wǎng)法對(duì)巷道頂板結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，利用Dips 軟件對(duì)各試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，對(duì)結(jié)構(gòu)面各性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1#試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面按傾向可分為4 組，分別為1組10°～20°、2 組30°～40°、3 組280°～290°、4組300°～310°，其中1、2 組為優(yōu)勢(shì)組，傾角集中在45°～65°。結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)總體呈壓性；間距為很密級(jí)別，跡長(zhǎng)以中等連續(xù)性為主，隙寬為裂開級(jí)別，粗糙度以平直光滑和光滑波狀為主，結(jié)構(gòu)面干燥。

2#試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)按傾向可分3 組：1 組10°～20°、2 組110°～120°、3 組180°～190°，其中1、2 組為優(yōu)勢(shì)組，傾角主要集中在40°～60°。結(jié)構(gòu)面類型主要為層理面，局部為脈巖充填的裂隙充填物，硬度較大，力學(xué)性質(zhì)以壓性為主；結(jié)構(gòu)面間距密集、隙寬為裂開級(jí)別，潮濕狀態(tài)，較粗糙，部分為平直光滑；連續(xù)性較低。

3#試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面按傾向可分為3 組，分別為1組330°～340°、2 組110°～120°、3 組150°～160°，其中1 組為優(yōu)勢(shì)組，傾角主要集中在20°左右。結(jié)構(gòu)面主要由壓性的層理面構(gòu)成；結(jié)構(gòu)面間距很密，中等連續(xù)性，隙寬以裂開級(jí)別為主，結(jié)構(gòu)面平直光滑，頂板為滴水狀態(tài)。

4#試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面按傾向可分為3 組，傾向分別為：1 組180°～190°、2 組210°～220°、3 組100°～110°，其中1、2 組為優(yōu)勢(shì)組。結(jié)構(gòu)面類型主要為層理面和礦脈充填裂隙，充填物較硬，力學(xué)性質(zhì)以壓性為主，少部分為張性；結(jié)構(gòu)面間距很密，以中等連續(xù)性為主，隙寬為裂開級(jí)別；結(jié)構(gòu)面平直光滑為主，且均為滲水狀態(tài)。

4.3 基于傳統(tǒng)分類方法的巷道頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）RMR 分級(jí)方法

目前，國(guó)內(nèi)外常用的工程巖體分級(jí)（分類）方法有許多種，如RQD 法、Q 法、RMR 法等[15]。本文采用得到廣泛應(yīng)用的RMR 法對(duì)各試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后將其評(píng)價(jià)結(jié)果與新分級(jí)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

地質(zhì)力學(xué)RMR 分級(jí)方法由比尼奧斯基于1973年間提出，該分級(jí)方法共有5個(gè)基本指標(biāo)：巖塊單軸抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理間距、節(jié)理面性狀、地下水條件及節(jié)理產(chǎn)狀[16]。5個(gè)基本指標(biāo)的分值都是根據(jù)工程實(shí)際情況按照標(biāo)準(zhǔn)取定，求和得到巖體的RMR 總評(píng)分值，然后按照節(jié)理的產(chǎn)狀對(duì)工程穩(wěn)定的影響進(jìn)行修正，將修正后的總分對(duì)照表5 求得所研究對(duì)象巖體質(zhì)量級(jí)別。

表5 RMR 巖體質(zhì)量分級(jí)表Table 5 Rock mass classifications of RMR

（2）不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板RMR 分級(jí)

以銅坑92號(hào)礦體工程地質(zhì)資料和結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)RMR 系統(tǒng)的取值標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板RMR 值，評(píng)價(jià)其工程穩(wěn)定性。

92號(hào)礦體不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板均屬于硅質(zhì)巖，單軸抗壓強(qiáng)度約為80 MPa；RQD 值分別為28.7%、69.5%、40.6%、28.7%，其他指標(biāo)具體情況可由結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析結(jié)果確定。不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板RMR分類法分值計(jì)算如表6 所示。

由表6 的評(píng)分結(jié)果，1#～4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板巖體RMR 總分值分別為43、48、32、45，對(duì)照表5的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，除了3#試驗(yàn)區(qū)頂板巖體為Ⅳ級(jí)外，其它三個(gè)試驗(yàn)區(qū)頂板巖體均為Ⅲ級(jí)。RMR 的分級(jí)結(jié)果表明：3#試驗(yàn)區(qū)頂板的穩(wěn)定性最差，屬于較不穩(wěn)定的巖體；其他3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的穩(wěn)定相差不大，屬于一般穩(wěn)定性巖體。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明，3#試驗(yàn)區(qū)頂板的穩(wěn)定確實(shí)是最差，這與工程實(shí)際相符合。但現(xiàn)場(chǎng)3#頂板在巷道剛形成時(shí)已出現(xiàn)較大規(guī)模的掉塊現(xiàn)象，已被迫立即采用錨網(wǎng)支護(hù)，而其他3個(gè)試驗(yàn)區(qū)頂板的穩(wěn)定性則明顯不一致，這與RMR 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程穩(wěn)定性描述有一定偏差。

表6 不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板RMR 評(píng)分表Table 6 The RMR scores of the roadway roof in different tests

4.4 基于BT 分級(jí)法的巷道頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）裂隙巖體模型建立在表征單體尺寸的取值規(guī)定下，試驗(yàn)區(qū)表征單元體尺寸在計(jì)算機(jī)能力范圍之內(nèi)盡量取大值，1#～4#試驗(yàn)區(qū)的表征單元體尺寸分別為4 m×4 m×4 m、4.5 m×4.5 m×4.5 m、6.5 m×6.5 m×6.5 m、5 m×5 m×5 m。利用GeneralBlock 軟件建立各試驗(yàn)區(qū)的數(shù)學(xué)模型，將各組結(jié)構(gòu)面調(diào)查參數(shù)輸入到模型中，如圖5 所示。識(shí)別所有塊體，輸出各塊體體積。

圖5 各試驗(yàn)區(qū)裂隙巖體模型圖Fig.5 Fractured rock mass models of each test area

（2）塊體化程度計(jì)算結(jié)果分析

利用GeneralBlock 軟件識(shí)別出各試驗(yàn)區(qū)裂隙巖體模型中的所有塊體，輸出各塊體的體積，利用相關(guān)軟件繪制出各試驗(yàn)區(qū)頂板塊體體積曲線。圖6為92號(hào)礦體各試驗(yàn)區(qū)頂板塊體體積曲線，表7為塊體化程度計(jì)算結(jié)果。由圖6 和表7 可知，1#～4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板塊體百分比分別為62.25%、74.9%、92.04%、16.3%。參照表1，1#～3#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板均屬于塊狀化巖體，4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板屬于輕度塊狀化巖體，其他試驗(yàn)區(qū)巷道頂板圍巖均比較破碎。

圖6 92#礦體各試驗(yàn)區(qū)巷道頂板塊體體積曲線圖Fig.6 Volume curves in roadway roof of each test area in the ore body No.92

結(jié)合塊體體積曲線形狀還可知，各試驗(yàn)區(qū)塊體體積大小和均勻程度。1#試驗(yàn)區(qū)塊體體積曲線較平直，塊體化程度較高，存在大量小塊體；2#試驗(yàn)區(qū)塊體百分比較大，塊體體積曲線最陡，塊體體積比較均勻，小塊體極少，塊體體積集中分布在一定區(qū)段，頂板容易出現(xiàn)大塊體松石掉落的失穩(wěn)現(xiàn)象；3#試驗(yàn)區(qū)頂板塊體百分比最大，達(dá)到了92.04%，說(shuō)明頂板完整性極差，處于支離破碎的狀態(tài)，且塊體體積不均勻，這與現(xiàn)場(chǎng)情況極為吻合。4#試驗(yàn)區(qū)頂板塊體百分比最小，僅為16.3%，僅存在極少數(shù)的塊體，頂板完整性較好。

（3）不同試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以各試驗(yàn)區(qū)裂隙巖體塊體化程度、結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，按照表3 的取值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，其中u1分值按照式(2)計(jì)算，分別確定各試驗(yàn)區(qū)分值向量U，最后根據(jù)式(3)的計(jì)算方法算出總評(píng)分值，對(duì)照表5 對(duì)各試驗(yàn)區(qū)巷道頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)。表8 給出了4個(gè)試驗(yàn)區(qū)巷道頂板各指標(biāo)取值情況和穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果。結(jié)果表明：1#～4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性分別為不穩(wěn)定（Ⅲ級(jí)）、不穩(wěn)定（Ⅲ級(jí)）、極不穩(wěn)定（Ⅳ級(jí)）和中等穩(wěn)定（Ⅱ級(jí)）。

表8 銅坑92#號(hào)礦體4個(gè)試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果表Table 8 Roadway stability classification results of four pilot area in ore body No.92 of Tongkeng mine

4.5 傳統(tǒng)RMR 法與BT 法評(píng)價(jià)結(jié)果比較分析

采用RMR 法和BT 分級(jí)方法對(duì)銅坑礦4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的巷道頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)果均表明，3#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定性最差，這與現(xiàn)場(chǎng)情況吻合，但從整體上看，BT 法比RMR 法更為優(yōu)越。

（1）穩(wěn)定性描述

如3#試驗(yàn)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)巖體十分破碎，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，頂板持續(xù)出現(xiàn)較大規(guī)模冒落掉塊現(xiàn)象，在RMR 法分級(jí)結(jié)果中屬于差巖體（Ⅳ級(jí)），巷道自穩(wěn)時(shí)間約為10 h；在BT 分級(jí)法的結(jié)果中屬于極不穩(wěn)定級(jí)別（Ⅳ級(jí)），自穩(wěn)能力極差，在無(wú)支護(hù)條件下巷道形成后隨即失穩(wěn)。

（2）分級(jí)準(zhǔn)確性

在RMR 法分級(jí)結(jié)果中1#、2#和3#3個(gè)試驗(yàn)區(qū)巷道頂板均屬于Ⅲ級(jí)巖體，穩(wěn)定性相差不大；在BT分級(jí)法的分級(jí)結(jié)果中，1#和2#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板屬于不穩(wěn)定級(jí)別（Ⅲ級(jí)），4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板屬于中等穩(wěn)定級(jí)別（Ⅱ級(jí)），現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，這些試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定有較大差別，特別是4#試驗(yàn)區(qū)頂板完整性較好，基本上不需要支護(hù)，而1#和2#試驗(yàn)穩(wěn)定性稍差。1#試驗(yàn)區(qū)頂板破壞形式主要是出現(xiàn)大小不一松石掉落，2#試驗(yàn)區(qū)頂板主要在局部位置出現(xiàn)離層冒落。

（3）安全管理指導(dǎo)作用

對(duì)于裂隙巖體而言，BT 分級(jí)法不僅能夠?qū)ο锏理敯宸€(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，且通過(guò)計(jì)算分析出巖體的塊體化程度，深入刻劃出巷道頂板完整性，對(duì)巷道頂板的安全管理具有較強(qiáng)的針對(duì)性指導(dǎo)作用。具體描述如下：1#試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面條件較良好，頂板很干燥，但由于其頂板巖體塊體化程度較高，存在大量小塊體（是引起巷道不穩(wěn)定的最重要原因），對(duì)于這類巷道則應(yīng)在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上適當(dāng)噴漿，以防止大量不穩(wěn)定小塊體掉落；2#試驗(yàn)區(qū)頂板巖體完整性較差，危險(xiǎn)塊體體積較大，對(duì)于該巷道則應(yīng)當(dāng)采取錨網(wǎng)支護(hù)，在支護(hù)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高錨桿長(zhǎng)度和密度；3#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板支離破碎，穩(wěn)定性最差，該巷道應(yīng)當(dāng)采取錨噴網(wǎng)支護(hù)，在支護(hù)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高錨桿長(zhǎng)度和密度，增大噴漿厚度。4#試驗(yàn)區(qū)巷道頂板完整性較好，無(wú)需要采取特別支護(hù)措施，通過(guò)加強(qiáng)管理及時(shí)處理松石掉塊即可保證巷道安全穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

（1）將塊體化程度理論應(yīng)用于裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性分級(jí)研究，提出了以塊體化程度代替表征常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)巖體完整性的巖體質(zhì)量RQD 值和節(jié)理間距兩項(xiàng)子指標(biāo)，創(chuàng)新形成了一種特別適用于裂隙巖體穩(wěn)定性分級(jí)的BT 分級(jí)方法，彌補(bǔ)了當(dāng)前分級(jí)方法在三維空間上描述頂板圍巖完整性的不足。

（2）系統(tǒng)提出了BT 分級(jí)法的評(píng)價(jià)體系，分析了影響裂隙巖體巷道頂板穩(wěn)定性因素，運(yùn)用AHP法確定各指標(biāo)的權(quán)重，制定了各指標(biāo)的取值準(zhǔn)則和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）運(yùn)用傳統(tǒng)分級(jí)方法中RMR 分級(jí)法和本文提出BT 分級(jí)法，完成了銅坑礦92號(hào)礦體裂隙巖體試驗(yàn)區(qū)巷道頂板穩(wěn)定分級(jí)研究，對(duì)兩種分級(jí)結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：BT 分級(jí)法在穩(wěn)定性描述、分級(jí)準(zhǔn)確性和安全管理指導(dǎo)作用等方面比傳統(tǒng)RMR 分級(jí)法更符合工程實(shí)際。

（4）BT 分級(jí)法用于評(píng)價(jià)工程穩(wěn)定性時(shí)，如與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段相結(jié)合，將會(huì)為地下礦山裂隙巖體巷道頂板安全管理提供更加可靠的依據(jù)。

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