基于綜合指數(shù)法的不良巖體巷道冒落危險性評價

史德俊 徐 恒 王春來 王貽明 胡乃聯(lián) 吳愛祥

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院；2.中色非洲礦業(yè)有限公司)

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基于綜合指數(shù)法的不良巖體巷道冒落危險性評價

史德俊1,2徐 恒1王春來2王貽明1胡乃聯(lián)1吳愛祥1

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院；2.中色非洲礦業(yè)有限公司)

在系統(tǒng)分析影響不良巷道冒頂?shù)牡刭|(zhì)條件和相關(guān)技術(shù)因素的基礎(chǔ)上，基于綜合指數(shù)法，提出了評價巷道冒落危險性的分級方法，推導了巷道發(fā)生冒落危險等級的指數(shù)計算公式并計算了評價指數(shù)。根據(jù)評價指數(shù)將冒落危險劃分為無冒落危險、弱冒落危險、中等冒落危險、強冒落危險、極端冒落危險等5個等級，對各危險等級提出了相應的防治措施。基于巷道圍巖地質(zhì)條件及設(shè)計的支護措施，將該評價方法運用到謙比希西礦體的生產(chǎn)實踐中，并根據(jù)評價結(jié)果對原有的巷道支護措施進行了改進和參數(shù)優(yōu)化。應用結(jié)果表明：該評價方法的巷道冒落危險分級結(jié)果與生產(chǎn)巷道的情況基本一致，巷道支護措施的改進和參數(shù)優(yōu)化效果較好，有一定的推廣應用價值。

綜合指數(shù)法 巷道冒頂 地質(zhì)條件 支護工藝 危險性分級

謙比希西礦體工程地質(zhì)條件復雜，巖體破碎，遇水泥化，部分巷道經(jīng)常發(fā)生冒頂、垮幫，在阻礙生產(chǎn)的同時造成了嚴重的設(shè)備損失，對此，采用管縫式錨桿、注漿錨索、鋼筋條帶網(wǎng)等手段對巷道進行支護，但由于對礦巖條件、巷道冒頂垮落機理以及工程重要程度缺乏深刻認識，導致支護手段與巷道礦巖不匹配，支護方式單一，支護效果差，二次支護及巷道返修嚴重，未達到治理巷道冒頂?shù)哪康?。大量學者對礦山不良巖體巷道的冒落機理及支護方式進行了大量研究，成果豐碩[1-3]，但對于不良巖體巷道失穩(wěn)破壞危險性評價則較少涉及。巷道是否具有失穩(wěn)破壞危險以及危險性程度大小與礦山支護設(shè)計、設(shè)備購置、開采進度等關(guān)系密切，在巷道支護前，有必要對巷道失穩(wěn)破壞的危險性及危險等級進行全面評價，以便采取相應的方法進行支護。鑒于綜合指數(shù)法的優(yōu)良性能[4-5]，在全面分析謙比希西礦體不良巖體巷道變形破壞情況和失穩(wěn)機理的基礎(chǔ)上，對不良巖體巷道的冒落危險性進行評價。

1 巷道冒頂危險狀態(tài)影響因素

1.1 地質(zhì)因素

(1)相鄰巷道是否發(fā)生過冒頂。若開挖巷道或相鄰采場的巷道發(fā)生過冒頂，則在類似條件下進行巷道掘進或支護也容易發(fā)生冒頂。

(2)探放水孔單位涌水量。按照探水孔單位涌水量，可將巷道周圍含水層富水性分為4級：①弱富水性(≤0.1 L/(s·m))；②中等富水性(0.1～1.0 L/(s·m))；③強富水性(1.0～5.0 L/(s·m))；④極強富水性(5.0 L/(s·m))。由于水對于巷道圍巖承載能力的影響較大，因而與探放水孔單位涌水量相關(guān)的含水層的疏干性對巷道冒頂也會產(chǎn)生間接影響。

(3)上覆巖層結(jié)構(gòu)。層面應力和層面位移是導致大跨度巷道頂板失穩(wěn)的重要因素，當上覆巖層屬于層狀結(jié)構(gòu)時，層面應力及其位移與巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)的關(guān)系更為明顯。當巷道上覆巖層中具有堅硬巖層時，對于巷道圍巖承載能力及后期錨固支護等均較有利。

(4)巖層傾角。不同的煤層傾角對巷道破壞形式和破壞程度的影響有所區(qū)別，如水平或傾斜煤層中的巷道易出現(xiàn)頂板下沉、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，而在急傾斜煤層中布置巷道則易出現(xiàn)鼓幫、底板滑落及頂板抽條冒落等形式的破壞[6]。謙比希西礦體采切巷道主要布置于礦化板巖、礫巖等巖組中，節(jié)理較發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，與煤層情況類似，且傾角較緩，是頂板冒落的危險區(qū)域。

(5)圍巖構(gòu)造導水性。水對于巷道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的承載能力均可造成嚴重的破壞，因而圍巖中斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造導水性是影響巷道冒頂?shù)闹匾蛩兀绕洚敂鄬拥容^大型的導水構(gòu)造導通巷道周圍大型含水層時，易形成水流通道甚至導致巷道突水。

(6)地質(zhì)構(gòu)造。復雜的地質(zhì)構(gòu)造可直接導致施工設(shè)備損壞、作業(yè)效率低下，影響巷道支護作業(yè)，增加巷道圍巖冒落、泥化危險。

各地質(zhì)因素的巷道頂板冒落危險指數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)因素的巷道頂板冒落危險指數(shù)

據(jù)表1，巷道周圍礦巖地質(zhì)因素對巷道冒頂危險的影響指數(shù)計算公式為

(1)

式中,n1為地質(zhì)因素的數(shù)目；Ji為第i個地質(zhì)因素的危險指數(shù)；Jimax為第i個地質(zhì)因素的最大危險指數(shù)。

1.2 支護因素

(1)巷道頂板圍巖支護方式。不同的支護手段對于巷道圍巖變形、泥化、垮落等失穩(wěn)破壞形式的控制程度各有區(qū)別，同類支護手段中，如均為錨桿支護，不同類型的錨桿支護效果也存在一定的差別。

(2)施工手段、設(shè)備性能及管理水平。主要通過巷道開掘進度、支護作業(yè)開展以及二者之間的配合情況進行評價。

(3)支護工作開展時間。由于巷道所處巖層的物理力學性質(zhì)較差，且存在遇水泥化、頂板破碎等問題，因而新開掘的巷道開展支護工作與后期支護強度的形成以及泥化、涌水控制等方面存在密切聯(lián)系。

(4)巷道跨度。巷道跨度越大，對于巷道圍巖穩(wěn)定性要求越高，布置于巖性較差的圍巖中的巷道所需的支護強度及相應的支護工作量便越大，且經(jīng)常由于層面應力、層面位移等因素造成頂板失穩(wěn)。根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB 50218—1994)，當巷道圍巖體級別為Ⅲ～Ⅴ時，臨界跨度標準為5 m及10 m。其中Ⅲ級圍巖，當跨度大于10 m時，穩(wěn)定時間短；跨度為5～10 m時，可穩(wěn)定數(shù)月，而當跨度小于5 m時，可基本穩(wěn)定。Ⅳ級圍巖，跨度大于5 m時，一般無自穩(wěn)能力；當跨度不大于5 m時，可穩(wěn)定數(shù)日～1月。對于Ⅴ級巖體，無自穩(wěn)能力，因而以5 m 及10 m為巷道臨界跨度值。

(5)采場空區(qū)處理方式。采用充填法處理采空區(qū)可有效分擔巷道圍巖應力，避免采場應力向巷道圍巖轉(zhuǎn)移、集中，采用空場法開采的礦山巷道圍巖也會形成應力集中，易造成巷道冒頂，若采用崩落法開采或處理采空區(qū)，易導致巷道軟弱圍巖受擾動冒落，增加冒落風險。

(6)相鄰巷道間距。采切巷道間距與采礦方法的設(shè)計有關(guān)，間距越大，留出的應力集中區(qū)則越大，應力集中程度越小，對保持巷道穩(wěn)定越有利。

(7)開掘深度。隨著開采往深部延伸，相應的圍巖性質(zhì)也會出現(xiàn)一定的變化，特別是高地應力、軟巖等問題，應力、巷道圍巖性質(zhì)的變化對于巷道頂板穩(wěn)定性具有一定的影響。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，取600 m為淺部及深部的臨界深度。

支護因素的巷道頂板冒落危險指數(shù)見表2。

表2 支護因素的巷道頂板冒落危險指數(shù)

據(jù)表2，支護因素對不良巖體巷道發(fā)生冒頂危險的影響指數(shù)計算公式為

(2)

式中,n2為支護因素的數(shù)目；Mi為第i個支護因素的危險指數(shù)；Mimax為第i個支護因素的最大危險指數(shù)。

1.3 巷道圍巖發(fā)生冒落危險的綜合評價指數(shù)

綜合Q1和Q2，可利用式(3)對巷道圍巖發(fā)生冒落的危險性進行綜合評價，并確定巷道發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU指數(shù)：

Q=max{Q1,Q2} .

(3)

2 巷道頂板冒落危險等級劃分及對策

(1)無冒落危險。據(jù)式(3)，冒落危險性綜合評價指數(shù)(以下簡稱“綜合指數(shù)”)Q<0.2，一般對應區(qū)域的圍巖巖性較好，基本無需進行較大強度的支護即可滿足要求。

(2)弱冒落危險。0.2≤Q<0.4，對應巖性欠穩(wěn)固或巷道頂板無滲水的區(qū)域，需進行冒頂防護，并進行一定強度的支護，主要應對方案：采用錨桿或錨索對需要支護的區(qū)段進行支護，并對頂板圍巖進行動態(tài)監(jiān)測，并及時處理巷道掘進或后期維護過程中出現(xiàn)的冒落現(xiàn)象。

(3)中等冒落危險。0.4≤Q<0.6，對應巖性局部不穩(wěn)固或巷道圍巖有滲水，受滲水影響巖壁出現(xiàn)泥化現(xiàn)象的區(qū)域，需對巷道進行錨桿或錨索支護，并采取措施進行巷道排水，避免大規(guī)模泥化、失穩(wěn)、片幫等現(xiàn)象的出現(xiàn)，局部滲水較嚴重的區(qū)域可采用濕噴混凝土進行封閉處理。

(4)強冒落危險。0.6≤Q<0.8，對應圍巖巖性不穩(wěn)固或圍巖滲水嚴重或幾條巷道交錯的“十字口”、“T字口”等特殊區(qū)域，需采用錨桿、錨索或濕噴混凝土進行聯(lián)合支護，并注意圍巖滲水的抽排，同時避免在“十字口”、“T字口”等特殊區(qū)域附近布置大型硐室、留下采場空區(qū)等，減少后續(xù)爆破或應力轉(zhuǎn)移對該類區(qū)域的擾動，在日常巷道維護過程中也需對支護質(zhì)量和巷道圍巖進行動態(tài)監(jiān)測，及時做好二次支護或封閉處理。

(5)極端冒落危險。Q≥0.8，對應區(qū)域圍巖條件極差或存在大的斷層、破碎帶等構(gòu)造的特殊地段，巷道附近存在較大的富水巖層。針對該類區(qū)域，需加大支護強度，一般采用聯(lián)合支護，采用注漿等措施對涌水通道進行封堵，并需對該部分巷道進行實時監(jiān)測，盡量縮短其存在時長，使用結(jié)束后仍需及時進行封閉、充填。

3 工程應用

3.1 謙比希西礦體巷道變形破壞機理

西礦體巷道圍巖松散、破碎、遇水泥化、整體性差、承載能力低，使得在開采過程中，采場與巷道圍巖垮幫、頂板冒落現(xiàn)象頻繁發(fā)生。西礦體巷道圍巖失穩(wěn)的原因主要有：

(1)巷道圍巖松散破碎、節(jié)理發(fā)育。巷道主要位于礦化板巖中，層理特別發(fā)育，且受后期構(gòu)造節(jié)理影響，礦體極度破碎，此外，在礦體上下盤均存在氧化礦帶，極易泥化，礦巖穩(wěn)固性極差。礦山巖體質(zhì)量分級結(jié)果見表3。

表3 巖體質(zhì)量分級

(2)井下地下水豐富，巷道圍巖遇水泥化現(xiàn)象嚴重，且水化作用也容易降低支護結(jié)構(gòu)的承載能力。巷道遇水泥化使得圍巖強度顯著降低和弱化，礦巖承載能力降低，該礦山僅采用錨桿、錨索進行被動支護。

(3)礦山巖性復雜，當前采用的管縫式錨桿+注漿錨索+鋼筋條帶網(wǎng)聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)，難以形成針對式的支護，設(shè)計支護參數(shù)與巷道圍巖條件不匹配，巷道出現(xiàn)頂板冒落、垮幫現(xiàn)象，在巷道周圍形成大范圍的松散破碎帶，同時巷道不同位置出現(xiàn)的變形破壞情況變化較大。

目前，在該礦體生產(chǎn)支護中，管縫式錨桿在硬巖區(qū)域支護時以塑性變形為主，即錨桿在施工時無法完全插入孔內(nèi)，因塑性變形而暴露于孔外，而在破碎、泥化區(qū)域，錨桿孔徑難以滿足要求，錨桿錨固效果差，且由于礦巖偏軟，錨桿長期錨固效果差。當?shù)叵滤髸r，水對錨桿的銹蝕作用也會影響錨桿的長期強度。在施工過程中，由于排氣管綁扎方法錯誤、料漿水灰比過大等因素，造成錨索支護失效，鋼筋條帶網(wǎng)由于礦巖性質(zhì)變化復雜以及施工原因造成支護效果不佳。由于上述問題的存在，使得該礦山巖體加固效果較差，常需要對采切工程進行二次支護，不但增加了支護成本，而且影響了礦山生產(chǎn)工效。

3.2 巷道圍巖冒落危險性評價

由于礦巖條件較差，賦存條件不佳，開采條件復雜，謙比希西礦體在采切巷道掘進時對所有巷道均進行了危險性評價，并對其所處區(qū)域進行了支護分區(qū)。本研究僅選取西礦體150 m分段19#采場聯(lián)絡(luò)道進行分析。據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，150 m分段19#采場聯(lián)絡(luò)道(垂直走向)分布于礦體和下盤圍巖中，礦體主要巖性為礦化板巖，層理特別發(fā)育，且受后期構(gòu)造節(jié)理的影響較嚴重，礦巖破碎，礦體下盤圍巖巖性主要為下盤礫巖，12 m長的測線上分布有17條結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面密度較大，但無大型斷層構(gòu)造。通過鉆孔發(fā)現(xiàn)，在礦體下盤存在0.5～1.5 m厚度不等的砂層，黏結(jié)強度低，揭露后極易垮塌，是影響巷道穩(wěn)定的重要巖層。在同一分段開掘采場進路時，由于支護不及時，曾發(fā)生頂板冒落。雖然150 m分段靠近地表，且旁側(cè)即為礦山露天開采的坑界，坑內(nèi)有積水，但與巷道涌水通道不聯(lián)通，巷道初始涌水量小于1.0 L/(s·m)，經(jīng)排水，涌水量降低至0.1 L/(s·m)以下。150 m分段采用上向水平分層充填法進行回采，采場聯(lián)絡(luò)道寬4 m，開掘后立即采用管縫式錨桿+注漿錨索進行聯(lián)合支護，支護工藝及施工手段均較落后，且注漿錨索施工存在嚴重的操作不當問題，影響支護效果。該分段19#采場聯(lián)絡(luò)道發(fā)生頂板冒落危險的地質(zhì)因素、支護因素及對應的危險指數(shù)分別見表4、表5。

表4 引發(fā)巷道頂板冒落的地質(zhì)因素及指數(shù)

結(jié)合表4、表5，由式(1)～式(3)計算可得150 m 分段19#聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU指數(shù)Q=0.72，即主要受地質(zhì)因素的影響，冒頂?shù)燃墳閺娒绊斘ｋU，在礦山生產(chǎn)實踐中，該聯(lián)絡(luò)巷曾發(fā)生過多次小型冒頂，返修及二次支護率較高，延誤了生產(chǎn)。

3.3 巷道錨固方案及支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)巷道冒頂危險分類情況及工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合不同礦巖特性和礦山實際情況，變更原有的管縫式錨桿+注漿錨索+鋼筋條帶網(wǎng)聯(lián)合支護為樹脂錨桿+長錨索+鋼筋條網(wǎng)+濕噴混凝土聯(lián)合支護的形式。并基于懸吊、組合梁、加固拱等理論，對支護參數(shù)進行了計算或優(yōu)化，此外，開展了混凝土材料配比研究、設(shè)備選型及施工培訓等工作，將新型支護方式在全礦進行推廣。實踐表明：采用新型支護方式后巷道出現(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象大大減少，有效降低了支護和維修成本，提高了礦山生產(chǎn)的安全性。經(jīng)方案改進及參數(shù)優(yōu)化后的不同冒落危險區(qū)域的支護措施及相應參數(shù)見表6。

表5 引發(fā)巷道頂板冒落的支護因素及危險指數(shù)

表6 西礦體采切巷道冒頂危險等級及支護措施

4 結(jié) 語

通過詳細分析影響巷道冒落的主要地質(zhì)因素、支護因素，對巷道發(fā)生冒落的危險程度進行了分級，并給出了對應的支護措施，在此基礎(chǔ)上提出了不良巖體巷道冒落危險性綜合指數(shù)預測方法。采用該方法對謙比希西礦體巷道冒落危險性進行了預測，根據(jù)預測結(jié)果，對該礦山原有支護方式進行了改進和參數(shù)優(yōu)化，提出了樹脂錨桿+長錨索+鋼筋條網(wǎng)+濕噴混凝土的聯(lián)合支護方式，成效顯著。

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Risk Evaluation of Roadway Caving of Weak Rock Mass Based on Comprehensive Index Method

Shi Dejun1,2Xu Heng1Wang Chunlai2Wang Yiming1Hu Nailian1Wu Aixiang1

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing;2.Africa Mining Public Limited Company, China Nonferrous Metals Co. Ltd.)

Based on the system analysis of the geological conditions and related technical factors that effects the roadway caving of weak rock mass, the classification method of the evaluation of the roadway caving risk is proposed based the comprehensive index method,and the risk rating index formula is derived and the evaluation index of caving risk is calculated.Based on the caving risk evaluation index,the hazard degree of roadway caving risk can be divided into five classifications such as no caving risk,weak caving risk,medium caving risk,strong caving risk and extremely caving risk,the corresponding preventing measures of above caving risk classifications are proposed.The classification method of the evaluation of roadway caving risk proposed in this paper is used to in mining practice to conduct the modification of the already existed roadway supporting measures and optimization of the supporting parameters based on the surrounding rock geological condition and designed supporting measures.The results of the west orebody of Qianbixi mine show that the roadway caving risk classification results of the evaluation method are basically consistent with actual situation of production roadway,the modification effects of the roadway supporting measures and optimization effects of the roadway supporting parameters are good,therefore,the evaluation method of roadway caving risk classification proposed in this paper can be used to conduct the roadway caving risk prediction and supporting in other mines.

Comprehensive index method, Roadway caving, Geological conditions, Supporting technics, Risk classification

2015-07-20)

史德俊(1970—)，男，總經(jīng)理助理，高級工程師，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學院路30號。