白音呼布巖體力學(xué)研究及支護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)應(yīng)用

尤克成，齊小磊，黃 超

（錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000）

1 巖體質(zhì)量及地應(yīng)力情況

白音呼布公司設(shè)計項目開采深度超過800m，在項目基建過程中，隨著開拓工程揭露發(fā)現(xiàn)，淺部62線以西采場普遍存在巖體泥化、破碎現(xiàn)象，62線以東采場出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象；隨著開拓深度的增加，地應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)開拓至100m中段時，巖爆現(xiàn)象頻繁發(fā)生，一度影響了項目建設(shè)進(jìn)度。

圖1 管縫錨桿支護(hù)后圍巖脫落、深部巷道巖爆現(xiàn)象

圖2 垂直于主應(yīng)力方向支護(hù)破壞嚴(yán)重

2 巖石力學(xué)項目開展情況

為切實解決公司在生產(chǎn)建設(shè)過程中遇到的淺部巖體破碎及深部巖爆情況，實現(xiàn)巖體破碎、地壓明顯區(qū)域的合理支護(hù)，公司先后與北京科技大學(xué)、山東黃金集團(tuán)深井實驗室合作開展了巖體質(zhì)量分級研究和地應(yīng)力研究工作。

通過綜合運用BQ法、RMR法和Q系統(tǒng)法對礦山巖體質(zhì)量進(jìn)行全面質(zhì)量評價，探索了RQD參數(shù)與巖體質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對各類巖體的采場最大跨度進(jìn)行了研究，對不同巖體中錨桿的錨固力進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，并進(jìn)一步優(yōu)化了支護(hù)設(shè)計參數(shù)，開發(fā)了支護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)，極大地方便了現(xiàn)場技術(shù)人員精準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計方案。同時掌握了深部主應(yīng)力方向?qū)﹂_拓工程的影響規(guī)律，為新開拓中段的巷道布置提供了設(shè)計依據(jù)，柔性支護(hù)理念在公司得到深入推廣。

（1）綜合采用BQ法RMR法和Q系統(tǒng)法對礦山巖體質(zhì)量進(jìn)行全面質(zhì)量評價，完成了RQD參數(shù)統(tǒng)計[1]、地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、地應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度[2]、點荷載的實驗和調(diào)查，對礦山各個采場巖體質(zhì)量與穩(wěn)定性進(jìn)行評價，實現(xiàn)了對不同中段不同區(qū)域不同巖性合理優(yōu)化采場設(shè)計參數(shù)，合理選擇不同支護(hù)方式的目的，從而為礦山采掘工程順利施工提供了安全保障和理論依據(jù)。

圖3 錨桿拉拔試驗

通過數(shù)值模擬研究和圖表法計算，公司Ⅱ級圍巖采場的最大跨度控制在9m～10m范圍；Ⅲ級圍巖采場最大跨度在6m～7m范圍；四級圍巖采場最大跨度在4m～5m范圍；Ⅴ級圍巖采場最大跨度為3m，可保證采場巖體的穩(wěn)定。

（2）RQD系統(tǒng)的運用。RQD值反映了鉆探時巖芯的完好程度，指使用金剛石鉆頭和雙層單動巖芯管取芯鉆探，每次進(jìn)尺中等于或大于10cm的柱狀巖芯的累計長度與每個鉆進(jìn)回次進(jìn)尺的百分比，可用于對巖體進(jìn)行分類和巖體質(zhì)量評價。作為反映工程巖體完整程度的定量參數(shù)，目前該指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用于各種工程巖體的穩(wěn)定性評價。

表1 各測點主應(yīng)力計算結(jié)果

為方便工程技術(shù)人員利用坑探巖芯提前進(jìn)行巖體質(zhì)量預(yù)判，收集了建礦以來的坑內(nèi)鉆探RQD參數(shù)，對照巖體質(zhì)量評價結(jié)論，找出了坑內(nèi)鉆探RQD參數(shù)與巖體質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)了以坑內(nèi)鉆探指導(dǎo)采掘工程支護(hù)設(shè)計的目的。

圖4 坑內(nèi)鉆探RQD參數(shù)統(tǒng)計

對比發(fā)現(xiàn)，從采礦工程安全角度進(jìn)行考慮，在公司花腦特礦床通過RQD值判定的巖體質(zhì)量等級，可直接應(yīng)用于巖石的質(zhì)量評價。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，RQD小于36.67，開采跨度4m～6m時，需要間距為1.2m～1.8m的規(guī)則錨固支護(hù)。當(dāng)開采跨度在4m，RQD值＞61時不需要支護(hù)或局部錨固支護(hù)。當(dāng)開采跨度在6m，RQD值＞72時不需要支護(hù)或局部錨固支護(hù)。目前，公司所有坑內(nèi)鉆巖芯RQD值全部建立臺賬并上圖，較好地保存了原始地探資料，所有單體設(shè)計全部以RQD值進(jìn)行巖體質(zhì)量預(yù)判，再通過支護(hù)專家系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)方式設(shè)計。掘進(jìn)或采場揭露后，再根據(jù)現(xiàn)場實際情況，運用RMR或Q系統(tǒng)法對巖體質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確分級，同時對前期支護(hù)設(shè)計的合理性進(jìn)行二次驗證。如果發(fā)現(xiàn)原設(shè)計強(qiáng)度不足時，需進(jìn)行設(shè)計變更。

圖5 地應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)

（3）針對巷道掘進(jìn)過程中存在的巖爆現(xiàn)象，與深井開采實驗室合作采用地應(yīng)力測試、巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與巖石力學(xué)試驗、開采過程中圍巖應(yīng)力、變形現(xiàn)場監(jiān)測等手段，開展了礦區(qū)地應(yīng)力場分布、巖體結(jié)構(gòu)、巖性分布、巖石力學(xué)性質(zhì)及開采過程應(yīng)力遷移和地壓活動規(guī)律研究。同時與北科大項目組也進(jìn)行了相關(guān)地應(yīng)力測量工作，運用數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析了巷道走向與最大水平主應(yīng)力方向呈不同角度時圍巖的穩(wěn)定性，得出了各中段巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向最優(yōu)夾角，并且利用該方法調(diào)整了100m中段沉泥巷方向，最大程度地降低了地壓災(zāi)害。

（4）按照“開采深度超過800m的礦山企業(yè)要建立地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)”要求，同時結(jié)合公司深部開拓現(xiàn)狀，公司巖石力學(xué)工作室與北京科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了深部地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了深部中段應(yīng)力、位移的實時監(jiān)測及預(yù)報。

3 支護(hù)軟件系統(tǒng)介紹

在前期巖石力學(xué)工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際，開發(fā)了支護(hù)專家系統(tǒng)。系統(tǒng)包括巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）模塊、巖體地質(zhì)力學(xué)（RMR）模塊、隧道巖體質(zhì)量指標(biāo)（Q系統(tǒng)）模塊。通過運行相應(yīng)的圍巖分類模塊，基于力學(xué)指標(biāo)、圍巖等級、結(jié)構(gòu)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從而對不同圍巖條件下的圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行運算與優(yōu)化，最終形成以巖體質(zhì)量級別為依據(jù)的巷道支護(hù)方案。而且以這種方式，可將巖石力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)真正納入到圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計過程，提高地壓控制的科學(xué)性和合理性。操作流程如下：①選擇圍巖質(zhì)量評價方法。本系統(tǒng)目前支持三種圍巖質(zhì)量評價方法，分別為巖石質(zhì)量指標(biāo)分類（RQD）、CSIR巖體地質(zhì)力學(xué)分類（RMR）和NGI隧道巖體質(zhì)量指標(biāo)分類（Q系統(tǒng)）；②在圍巖質(zhì)量評價界面輸入必需的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可據(jù)此計算出圍巖質(zhì)量的評分值，并對圍巖質(zhì)量進(jìn)行分類，給出對應(yīng)的支護(hù)方案；③導(dǎo)出計算結(jié)果和支護(hù)方案至EXCEL，方便用戶閱覽和使用。

圖6 利用支護(hù)專家系統(tǒng)得出支護(hù)形式及參數(shù)

4 取得的效果

白音呼布公司巖石力學(xué)工作的開展在北科大及山東黃金集團(tuán)深井實驗室的大力支持幫助下，實現(xiàn)了從經(jīng)驗管理到科學(xué)研判的轉(zhuǎn)變，同時支護(hù)專家系統(tǒng)的使用進(jìn)一步規(guī)范了支護(hù)設(shè)計流程，改善了掘進(jìn)施工質(zhì)量及采場支護(hù)管理，在項目巖體質(zhì)量較差且?guī)r爆多發(fā)的情況下，保證了作業(yè)安全。