吳碧波，王忠杰

（中煤科工集團武漢設(shè)計研究有限公司，湖北 武漢 430000）

對礦山巷道而言，其圍巖的穩(wěn)定性取決于圍巖質(zhì)量分級，質(zhì)量差的圍巖必須予以支護，才能保證穩(wěn)定性，質(zhì)量好的圍巖無需支護，依然可以保持穩(wěn)定[1]。目前一部分礦山巷道支護多依據(jù)新奧法進行施工，在新奧法理論中，對圍巖質(zhì)量的把握非常重要。規(guī)范中依據(jù)巷道圍巖的地質(zhì)特性對圍巖進行分級，但是該分級系統(tǒng)對于特殊地質(zhì)環(huán)境并不完全適用。特殊地質(zhì)條件下的礦山巷道圍巖的分級方法需針對不同的工程實踐案例分別進行研究。

本文在基于湖北省某礦山巷道支護實測基礎(chǔ)上，針對該礦山巷道圍巖巖性表現(xiàn)出的滲透性，對礦山巷道圍巖分級系統(tǒng)進行研究，并利用程序設(shè)計語言C#開發(fā)了集成巷道預(yù)支護決策信息子系統(tǒng)和施工中支護決策信息子系統(tǒng)為一體的礦山巷道支護決策信息系統(tǒng)。

1 進行支護巷道的基本概況

1.1 礦山巷道支護位置地質(zhì)條件

巷道圍巖為武當(dāng)群片巖，屬于變質(zhì)巖，主要礦物成分為石英、鈉長石、絹云母。鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，多為薄層～極薄層狀，層厚一般為1cm～5cm，局部地段為中厚層狀，層厚10cm～20cm。從地質(zhì)構(gòu)造上看，該處屬于武當(dāng)山推覆體構(gòu)造，歷史了經(jīng)歷多次的地質(zhì)構(gòu)造作用，沖逆斷層和褶皺強烈發(fā)育，且?guī)r體里存在較大的地應(yīng)力[2]。地表水不發(fā)育，無常年性流水，地下水主要類型是基巖裂隙水，賦存于片巖裂隙和破碎帶內(nèi)，主要接受大氣降水的垂直入滲補給，儲存條件差。

1.2 礦山巷道圍巖變形及失穩(wěn)現(xiàn)象分析

該巷道自開挖以來，多次發(fā)生圍巖的大變形和破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，分析其變形曲線發(fā)現(xiàn)變形具有變形量大，變形速度快的特點。初期支護剛度不足時則出現(xiàn)支護斷裂，混凝土剝落等現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，采取三處具有代表性的巖樣進行了礦物成分分析實驗，測試結(jié)果如表1。

表1 地質(zhì)礦物的組成成分及含量

礦物分析實驗表明：武當(dāng)群片巖主要礦物成分為石英、長石，部分巖石含有綠泥石、伊利石、蒙脫石以及少量云母和白云石，相對含量在巷道區(qū)有一定變化。伊利石是粘土礦物，遇水軟化，巷道開挖后，巖體暴露空氣中，風(fēng)化速度加劇，顯著降低了巖體的力學(xué)參數(shù)。設(shè)計人員在進行圍巖分級時未考慮到礦山巷道所處位置的地質(zhì)情況，分級結(jié)果有時就會出現(xiàn)偏小的情況，則會設(shè)計出偏弱的支護結(jié)構(gòu)強度，便會出現(xiàn)巷道圍巖的大變形甚至失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 礦山巷道圍巖的質(zhì)量分級方法

圍巖基本質(zhì)量指標修正值[BQ]可按下面的公式求出：

[BQ]—巖體修正質(zhì)量指標；

K1—地下水影響修正系數(shù)；

K2—主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3—初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

K1、K2、K3的取值可按規(guī)范的附錄取值，因此可以算出修正后的圍巖基本質(zhì)量指標，但是這種圍巖分級方法沒有考慮巷道支護區(qū)域的礦物成分對其開挖后時空效應(yīng)的影響，并不完全適合巷道施工。

根據(jù)礦山巷道變形的破壞機理，巷道圍巖是武當(dāng)群片巖，片巖的礦物成分中含有絹云母、綠泥石、伊利石和蒙脫石等吸水性礦物，這些微量的礦物成分使片巖帶有一定的吸水性，這對圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性存在影響，在考慮圍巖分級時也是不可忽略的因素。因此，由于礦山巷道支護區(qū)域的特殊圍巖特征，巷道圍巖分級在原有圍巖分級考慮的因素之上必須考慮礦物特性。這里引入滲透系數(shù)K4。滲透系數(shù)K4的取值主要取決于巖石中含有絹云母和蒙脫石的含量，因為巖石的滲透性來自于絹云母和蒙脫石的吸水滲透作用。具體的取值來自于實驗室對礦物成分和含量的分析結(jié)合工程經(jīng)驗獲取。滲透系數(shù)K4見表2。

表2 滲透系數(shù)取值表

鑒于軟弱夾層的發(fā)育和滲透性在沿線巷道中都是屬于比較輕微的。因此不能因為軟弱夾層存在使圍巖分級出現(xiàn)大面積跨級現(xiàn)象，而是只有在軟弱夾層對礦層穩(wěn)定影響較大時圍巖級別降低，因此K4前面的常系數(shù)適合取為（K1+K2+K3）系數(shù)的一半。因此，圍巖基本質(zhì)量指標修正值[BQ]可按下式求得：

那么，根據(jù)圍巖質(zhì)量指標修正指標[BQ]，即可根據(jù)礦山巷道設(shè)計規(guī)范查出圍巖的質(zhì)量級別，進而提出圍巖初期支護參數(shù)和二次襯砌參數(shù)的改進值。

3 礦山巷道支護決策信息系統(tǒng)設(shè)計

3.1 C#語言簡介

巷道圍巖支護決策信息系統(tǒng)主要針對巷道施工過程中使用高級程序設(shè)計語言C#開發(fā)的。C#繼承了C/C++的強大功能，同時綜合了VB的簡單可視化操作，看起來又同Java極為相似，如單一繼承、接口、語法和編譯過程等，它還借鑒了Delphi的一個優(yōu)點，直接集成com（組件對象模型）[3]。礦山巷道支護決策信息系統(tǒng)是用C#開發(fā)的，系統(tǒng)集巷道預(yù)支護決策信息系統(tǒng)和巷道支護決策信息系統(tǒng)為一體，在使用中，較為方便。

3.2 支護決策信息系統(tǒng)開發(fā)原理

基于礦山巷道開挖前預(yù)支護設(shè)計方法，利用高級程序語言開發(fā)了礦山巷道支護決策信息系統(tǒng)，在程序開頭為巷道的基本信息如：巷道名稱、巷道形狀、巷道長度。在使用過程中，對圍巖質(zhì)量進行分級，先輸入里程樁號，根據(jù)實驗室試驗數(shù)據(jù)，輸入礦石單軸飽和抗壓強度Rc和礦石完整性系數(shù)Kv，點擊預(yù)支護設(shè)計，即可輸出圍巖質(zhì)量級別和初期支護信息。

在巷道開挖之后，施工區(qū)域的地質(zhì)信息完全揭露出來，基于巷道開挖后支護設(shè)計方法，可得到圍巖的質(zhì)量級別和支護信息[4]。開發(fā)的巷道支護決策信息系統(tǒng)和巷道圍巖預(yù)支護決策信息系統(tǒng)集成在一起。在使用中，先輸入礦山巷道的基本信息，然后把礦石單軸飽和抗壓強度Rc、礦石完整性系數(shù)Kv、地下水影響修正系數(shù)K1、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2、初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3和滲透系數(shù)K4的數(shù)值輸入，點擊支護設(shè)計，即可輸出實際的圍巖級別和相對應(yīng)的支護信息。在下一次使用前，點擊清屏即可刪除所有信息，重新計算下一次支護設(shè)計。

3.3 工程實踐驗證

該巷道設(shè)計長度根據(jù)地質(zhì)資料和實驗數(shù)據(jù)，按原設(shè)計圍巖質(zhì)量級別為Ⅲ級，屬于中級偏好。在圍巖爆破開挖后圍巖條件被揭露出來，通過掌子面觀測和附近圍巖地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，圍巖左壁濕潤，有少量地下水成線狀流出，在里程中端發(fā)育一軟弱夾層，傾角60°，走向與巷道軸線夾角在20°～30°之間，該里程圍巖質(zhì)量偏低，不符合原設(shè)計資料[5]。結(jié)合實驗室數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)查量測和工程實踐經(jīng)驗對圍巖質(zhì)量進行重新分級，如果不考慮地質(zhì)礦物復(fù)雜特性的影響，利用巷道圍巖支護決策信息系統(tǒng)的分級結(jié)果和支護信息巷道圍巖級別為Ⅳ級。項目組最終把圍巖分級定為Ⅴ級，初期支護和二次襯砌也采用Ⅴ級的支護參數(shù)，對支護后的圍巖及時進行拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)控，以備設(shè)計變更。從對巷道斷面的監(jiān)測結(jié)果來看，最終位移在極限位移以內(nèi)，圍巖變形最終達到穩(wěn)定，無需進行二次支護設(shè)計。

4 結(jié)語

（1）針對礦山巷道支護進行信息化施工，對圍巖質(zhì)量分級存在不確定性，結(jié)合圍巖表現(xiàn)出的特殊地質(zhì)情況，提出新的圍巖質(zhì)量分級標準，即把滲透系數(shù)K4引入圍巖基本質(zhì)量指標BQ，并根據(jù)工程實際的試驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗確定了K4的取值。

（2）基于礦山巷道設(shè)計規(guī)范的基本規(guī)定利用C#高級程序設(shè)計語言編寫了巷道預(yù)支護決策信息系統(tǒng)，基于新的圍巖質(zhì)量分級系統(tǒng)編寫了礦山巷道施工支護決策信息系統(tǒng)。

（3）該方法通過引入滲透系數(shù)K4，在巷道設(shè)計規(guī)范確定的礦體修正質(zhì)量指標[BQ]的基礎(chǔ)上進行折減，在考慮巷道圍巖滲透性的前提下確保了巷道支護設(shè)計的安全。在工程實踐中運用此決策信息系統(tǒng)，取得了比較滿意的效果，軟件的實用性得到了驗證。