基于地應(yīng)力的煤巷圍巖分級方法及其應(yīng)用

毋會兵

(山西晉煤澤州天安宏祥煤業(yè)有限公司，山西 澤州 048000)

巷道圍巖穩(wěn)定性受多種因素影響，既有定量因素又有定性因素，用現(xiàn)有的巖石力學(xué)理論很難確定各種影響因素與圍巖穩(wěn)定性和支護載荷的相關(guān)系數(shù)，支護設(shè)計更依賴于圍巖穩(wěn)定性分級體系。因此，實際的圍巖穩(wěn)定性分級可以較好地評價巷道所處的圍巖條件和應(yīng)力狀態(tài)，為支護設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

1 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級指數(shù)

1.1 分級指數(shù)的確定

煤巷圍巖穩(wěn)定性受多種因素的影響，其中分級指數(shù)的選擇原則：分級指數(shù)必須是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，同時結(jié)合地質(zhì)條件和采礦技術(shù)條件對指數(shù)的選取進行定量描述。通過對山西某礦區(qū)煤巷基本情況的研究可知，影響圍巖穩(wěn)定性的因素有工程地質(zhì)因素和生產(chǎn)工藝因素兩大類，這兩大類因素都可以用比較容易獲得的指數(shù)來表示。因此，選擇3個類別的8個指數(shù)進行分析：

a) 頂板綜合強度(Rrz/MPa)、底板綜合強度(Rbz/MPa)、兩側(cè)綜合強度(Rsz/MPa).

b) 垂直地應(yīng)力(σh/MPa)、兩側(cè)水平地應(yīng)力(σv/MPa)、水平地應(yīng)力與巷道掘進方向夾角(θ/(°)).

c) 直接頂充填系數(shù)(N)、基本頂初次來壓步距(C0/m).

1) 地應(yīng)力測量。

地應(yīng)力通過采用應(yīng)力解除的方法進行測量，在該礦區(qū)井田內(nèi)選取9個地應(yīng)力測量點，通過對測量結(jié)果進行分析可以得到每一個測量點的水平地應(yīng)力和垂直地應(yīng)力，見表1.

表1 每一測量點的水平和垂直地應(yīng)力表

地應(yīng)力除了與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)外，還與埋深和覆巖容重有關(guān)。在確定附近的水平地應(yīng)力時，應(yīng)首先考慮“就近原則”，即地應(yīng)力測量點距離煤巷距離較近。如果測量點距離煤巷較遠(yuǎn)，則根據(jù)表2公式進行計算。

表2 地應(yīng)力和埋深關(guān)系表

2) 圍巖綜合強度。

圍巖強度通常用巖體單軸抗壓強度來表示，由于巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理和裂隙，因此這種表示形式顯然是不科學(xué)合理的，有必要考慮巖體的綜合強度。當(dāng)對圍巖的綜合強度進行計算時，首先要確定巖樣的強度，然后再計算巖體的強度，最終根據(jù)各層巖體的強度計算圍巖綜合強度。以頂板綜合強度計算公式為例：

(1)

Krm=Rrm/Rrb

(2)

Krm=α·Jn+β·Bn+γ·Jc

(3)

式中：

Rrz—頂板的綜合強度，MPa；

Mri—頂板第i層巖層的厚度，m；

Rrmi—頂板第i層巖層的強度，MPa；

Rrm—頂板巖層的單軸抗壓強度，MPa；

Rrb—頂板巖樣的單軸抗壓強度，MPa；

Krm—頂板巖層的強度指數(shù)；

Jn—頂板巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度；

Bn—頂板巖層的節(jié)理裂隙層理發(fā)育程度；

Jc—頂板巖層的填充和膠結(jié)程度；

α、β和γ—對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

3) 開采因素影響。

a) 直接頂充填系數(shù)(N).

直接頂充填系數(shù)反應(yīng)了采空區(qū)的充填程度，且充填系數(shù)越大，基本頂下沉量越小，礦山壓力顯現(xiàn)程度也越緩和，反之則礦山壓力顯現(xiàn)程度越劇烈?；诂F(xiàn)有的研究結(jié)果，采空區(qū)已經(jīng)被充填的很密實，當(dāng)N>4時基本頂下沉量較小。

b) 基本頂初次來壓(C0/m).

基本頂初次來壓步距反應(yīng)了巖石的強度，且初次來壓步距越大，礦壓顯現(xiàn)越劇烈，對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響也就越大，反之則越小。當(dāng)基本頂初次來壓步距分別<20 m、20～35 m、35～45 m和>60 m時，對應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)程度分別為緩和的、明顯的、強烈的和極其劇烈的。

1.2 確定分級指數(shù)的權(quán)重

基于該礦區(qū)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用層次分析法確定影響巷道圍巖穩(wěn)定性的分級指數(shù)的權(quán)重。需要確定8個分級指數(shù)權(quán)重，并建立判斷矩陣，然后計算分級指數(shù)權(quán)重，見表3，4.

表3 圍巖關(guān)鍵指數(shù)權(quán)重的判斷矩陣表

表4 圍巖關(guān)鍵指數(shù)權(quán)重表

2 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級

2.1 分級方法

模糊聚類分析方法是模糊聚類分析理論與方法的有機結(jié)合，通過建立模糊相似關(guān)系，使處理巷道圍巖穩(wěn)定性分級問題更為客觀、靈活。采用模糊聚類分析方法，該礦區(qū)煤巷圍巖將會被劃分為不同的級別。模糊聚類分析方法在理論上可分為3類：模糊等價關(guān)系的傳遞閉包法、圖論的聚類分析方法和ISODATA方法，在綜合考慮上述方法的特點和適用性的基礎(chǔ)上，選擇了基于模糊等價關(guān)系的傳遞閉包法。在該礦區(qū)煤巷圍巖穩(wěn)定性分級中，模糊聚類分析方法的應(yīng)用大致可以分為5個步驟，分別為：樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理、模糊相似矩陣的建立、動態(tài)聚類分析、圍巖分級數(shù)的確定及圍巖穩(wěn)定性評價。具體分級方法流程情況見圖1.

圖1 分級方法流程圖

2.2 樣本數(shù)據(jù)的采集和處理

樣本數(shù)據(jù)來自4個煤礦的30條巷道，分別為A煤礦7條巷道(1#～7#)、B煤礦8條巷道(8#～15#)、C煤礦8條巷道(16#～23#)和D煤礦7條巷道(24#～30#). 根據(jù)這30條巷道的工程地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件以及上述分級指數(shù)值的設(shè)置方法，結(jié)合地應(yīng)力和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，得到原始數(shù)據(jù)的分級指數(shù)，見表5.

根據(jù)模糊聚類分析的基本原理，為了準(zhǔn)確有效地使用該方法，必須對原始數(shù)據(jù)進行處理。結(jié)合巷道圍巖穩(wěn)定性分級指數(shù)和典型煤層巷道采樣數(shù)據(jù)的具體情況，對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理兩步預(yù)處理。

通過數(shù)據(jù)歸一化處理，將樣本數(shù)據(jù)壓縮到一個封閉區(qū)間[0,1]，然后對壓縮后的數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，即將各指數(shù)的歸一化數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的權(quán)重。利用相關(guān)系數(shù)法對處理后的數(shù)據(jù)進行校正，得到需要分級的樣本巷道的模糊相似矩陣R，由于矩陣數(shù)據(jù)龐大，不給出矩陣R的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

模糊相似矩陣R是自反的，對稱的，但不可轉(zhuǎn)移的，因此它不是模糊等價關(guān)系，為此，R將轉(zhuǎn)化為模糊等價矩陣R*. 在得到模糊等價矩陣R*的基礎(chǔ)上，用不同的閾值λ截取，可以獲得不同的分級。

2.3 確定最優(yōu)分級數(shù)

由于選擇的閾值不同，分級結(jié)果也不一樣，為此，根據(jù)F-統(tǒng)計量選擇最佳分級結(jié)果，可以計算出F-統(tǒng)計量使用方程式:

(4)

表5 分級指數(shù)的原始數(shù)據(jù)表

式中：

r—分級總數(shù)；

n—巷道樣本總數(shù)。

當(dāng)r從2變?yōu)?2時，F(xiàn)和F0.05的各自值見表6.

表6 煤巷最優(yōu)分級數(shù)的選擇表

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方差分析理論，如果F>F0.05，則表明各分級間差異顯著，分級結(jié)果合理。從表6中可以看出，當(dāng)λ=0.82時，所有分級的F-F0.05值最高，所以此時聚類結(jié)果是最優(yōu)的，這表明樣本煤巷被分為4級是最合適的。

3 圍巖穩(wěn)定性分級結(jié)果與評價

通過對這些模糊聚類分析和經(jīng)驗評價結(jié)果的綜合分析，將該礦區(qū)煤巷圍巖穩(wěn)定性劃分為4個等級，分別為：非常穩(wěn)定(I級)、比較穩(wěn)定(II級)、中等穩(wěn)定(III級)和不穩(wěn)定(IV級)，確定了各分級指數(shù)的取值范圍，見表7.

表7 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級表

4 基于圍巖穩(wěn)定性的巷道支護優(yōu)化

為了提高巷道支護質(zhì)量，降低成本，選擇按照圍巖穩(wěn)定性的典型巷道穩(wěn)定性分級方法，通過對地質(zhì)和采礦技術(shù)條件進行分析，采用數(shù)值模擬的方法對支護參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過綜合分析不同數(shù)值模擬方案下巷道圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律和圍巖移近量情況，確定了各類巷道的合理支護方法和參數(shù)。

將數(shù)值模擬的研究成果應(yīng)用于巷道的各個分級中，見表8.

表8 煤巷錨桿支護參數(shù)表

在山西某礦區(qū)內(nèi)的多條巷道進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，工程實踐結(jié)果表明，采用圍巖穩(wěn)定性分級方法確定的基本支護方法和參數(shù)，不僅能夠保證煤巷的安全性，同時具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié) 論

1) 在分析煤巷圍巖穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，基于圍巖綜合強度3大類8項指數(shù)提出了圍巖穩(wěn)定性的分級方法。

2) 采用應(yīng)力解除的方法確定了山西某礦區(qū)的地應(yīng)力，并通過現(xiàn)場調(diào)查、巖石力學(xué)試驗和礦山壓力觀測等手段對多條巷道圍巖綜合強度及開采因素進行了分析，為巷道圍巖分級提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3) 基于模糊聚類的方法，并采用數(shù)值模擬的方法，將該礦區(qū)內(nèi)的煤巷圍巖穩(wěn)定性劃分為4級，確定了各類巷道分級指數(shù)的取值范圍，并在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好的效果，經(jīng)濟效益顯著。