大同礦區(qū)石炭二疊系巖體的工程分類實(shí)踐

翟英達(dá)

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院山西太原030024）

1 引言

煤炭井工開采中工程巖體的穩(wěn)定性評(píng)判是一項(xiàng)十分重要的工作，工程巖體的穩(wěn)定性評(píng)判是建立在工程巖體分類上的?？梢宰匪莸降姆诸惪茖W(xué)最早見于古希臘人的著作中。分類是對(duì)相似性的認(rèn)識(shí)過程和由此帶來的物體集合。若干個(gè)世紀(jì)以來，分類在社會(huì)實(shí)踐中的各行各業(yè)都發(fā)揮了重要作用。在全球的采礦工程和地下工程設(shè)計(jì)中，分析法、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法和經(jīng)驗(yàn)法是三種基本的設(shè)計(jì)方法，到目前為止，經(jīng)驗(yàn)法幾乎占統(tǒng)治地位，巖體工程分類已構(gòu)成經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法不可分割的部分。事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)法應(yīng)用的基礎(chǔ)，是對(duì)施工對(duì)象——工程巖體的正確分類，畢竟取得的經(jīng)驗(yàn)都是建立在對(duì)不同類別巖體的認(rèn)識(shí)上的。在許多地下結(jié)構(gòu)與采礦設(shè)計(jì)中，按照工程巖體分類進(jìn)行方案確定已經(jīng)成為常用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

巖體分類系統(tǒng)（方案）是為解決地下工程巖體支護(hù)問題而建立的。在上個(gè)世紀(jì)，當(dāng)開始研究現(xiàn)在使用的巖體分類系統(tǒng)時(shí)，世界范圍內(nèi)的隧道工程基本上被十分有限的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查程序和設(shè)計(jì)方法所充斥，那時(shí)的方法遠(yuǎn)達(dá)不到各種工程設(shè)計(jì)的要求。發(fā)展到現(xiàn)在，巖體分類從雜亂無序的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查模式中創(chuàng)立了特定程式、秩序，從而為工程提供了不可或缺的設(shè)計(jì)手段。

工程巖體分類系統(tǒng)，是20世紀(jì)巖體工程領(lǐng)域中最重要的研究成就之一。在巖土工程領(lǐng)域，世界上諸多圓滿完成的工程證明巖體工程分類系統(tǒng)為工程設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的幫助，并且在安全高效、簡(jiǎn)捷方便及節(jié)約費(fèi)用方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在諸多的巖體分類方案中，由Z.T.Bieniawski 于1973 年提出的巖體權(quán)值RMR 分類系統(tǒng)是自Terzaghi于1946 年開始介紹巖體分類以來最為完善的巖體分類系統(tǒng)，它為巖體質(zhì)量描述及圍巖支護(hù)與加固方案的合理選擇提供了定量方法。

與其它工程材料不同，巖石是一種物理力學(xué)特性千變?nèi)f化的復(fù)雜材料，這就使得巖體工程設(shè)計(jì)者面對(duì)的問題具有獨(dú)特性——從工程意義上看，巖體是一種包含裂隙的天然承載體，其承載能力隨其中的裂隙發(fā)育程度的增加而降低；在工程開挖中，巖體內(nèi)破斷裂隙的增加并不意味著圍巖完全喪失了承載能力，這種現(xiàn)象在絕大多數(shù)地面工程結(jié)構(gòu)中不能被容忍，但在巖石地下工程中必須接受。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)礦井或一條隧道的問題不同于設(shè)計(jì)房屋或橋梁這些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在多數(shù)采礦及地下工程條件下，工程中同時(shí)遇到的往往是許多種巖石類型，設(shè)計(jì)工程師與地質(zhì)工程師所面對(duì)的巖石是被各種不同類型的不連續(xù)面分割而成的巖塊組合體，因此，他們必須考慮未擾動(dòng)巖石或巖體的工程特性，即巖體的類別。

巖體工程分類不是作為工程設(shè)計(jì)的替代品出現(xiàn)的，而是被工程設(shè)計(jì)者明智應(yīng)用的，它可以和觀測(cè)方法、分析研究一起共同闡述與設(shè)計(jì)目標(biāo)及場(chǎng)址地質(zhì)條件相符合的總體設(shè)計(jì)原理。針對(duì)具體目標(biāo)正確進(jìn)行巖體工程分類，可以為設(shè)計(jì)工程師提供強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)手段。

巖體工程分類的根本目標(biāo)包括：（1）辯識(shí)影響巖體工程行為的最主要參數(shù)；（2）將某區(qū)域的巖體分成具有相似力學(xué)特征的若干組——即具有不同質(zhì)量的巖體等級(jí)；（3）為辯識(shí)各種巖體等級(jí)提供合理的特性描述基礎(chǔ)參數(shù)；（4）將在某場(chǎng)所遇到的巖石條件及所得經(jīng)驗(yàn)與在其它場(chǎng)所的經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，使工程類比法在使用時(shí)更加科學(xué)、正確；（5）為工程設(shè)計(jì)提供必要的定量數(shù)據(jù)；（6）為同行（如采礦工程師）之間、非同行（如采礦工程師與地質(zhì)工程師）之間的交流搭建共同的基礎(chǔ)平臺(tái)。

巖體工程分類帶來的好處體現(xiàn)在：（1）可以提高工程巖體的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查質(zhì)量；（2）為實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)提供定量的數(shù)據(jù)；（3）使得科學(xué)的巖石地下工程穩(wěn)定性評(píng)判與高效的巖石地下工程圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)之間交流變得便捷。

根據(jù)大同煤礦集團(tuán)煤炭的開采需求，集團(tuán)公司曾委托太原理工大學(xué)校對(duì)同煤集團(tuán)所轄的包括馬脊梁礦、燕子山礦、永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司、白洞煤業(yè)有限責(zé)任公司、王村煤業(yè)有限責(zé)任公司、同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司、同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司、同煤大唐塔山煤礦有限公司等8個(gè)礦在內(nèi)的石炭二疊紀(jì)煤層開采中涉及的主要巖層依照巖石取樣、巖石節(jié)理及RQD 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、巖石按層位分組、試件加工、參數(shù)測(cè)試、巖體工程分類的順序開展了“石炭二疊紀(jì)巖體工程分類”工作。分類涉及的巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50266—99）以及煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT44～48—87）進(jìn)行；考慮國(guó)內(nèi)外工程巖體分類方案的應(yīng)用趨勢(shì)[1]，采用 Z.T.Bieniawski 提出的 RMR 巖體分類方案，對(duì)上述8 個(gè)礦的石炭二疊紀(jì)煤層巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分類，并依照Erdal Unal 基于Bieniawski RMR 系統(tǒng)的煤層巷道頂板分類及其支護(hù)方案確定方法[2]，提出相應(yīng)的巷道圍巖支護(hù)方案建議。

2 分類過程

RMR巖體分類方案涉及的分類考核指標(biāo)體系由6個(gè)基本參數(shù)構(gòu)成，分別是：（1）巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；（2）巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）；（3）巖層中不連續(xù)面的間距；（4）巖層中的不連續(xù)面條件；（5）工程位置的地下水條件；（6）不連續(xù)面方向。就具體分類對(duì)象，針對(duì)上述6個(gè)基本參數(shù)分別評(píng)價(jià)、打分，得分累加后即獲得分類對(duì)象巖體的RMR 分值，最后按照RMR 分類方案不同級(jí)別巖體對(duì)應(yīng)的RMR分值進(jìn)行巖體分級(jí)判斷，得出分類對(duì)象巖體所屬的等級(jí)。這個(gè)分類方案把工程巖體分為五個(gè)等級(jí)，分別是：Ⅰ級(jí)（很好巖石）、Ⅱ級(jí)（好巖石）、Ⅲ級(jí)（一般巖石）、Ⅳ級(jí)（差巖石）、Ⅴ級(jí)（很差巖石）。

馬脊梁礦巖樣取自馬脊梁礦風(fēng)井井檢2 號(hào)孔；燕子山礦巖樣取自5#煤層頂?shù)装?；永定莊煤業(yè)的巖樣取自該礦4#煤層皮帶巷及2105巷頂?shù)装澹话锥疵簶I(yè)有限責(zé)任公司的巖樣本取自該礦C3#煤層頂?shù)装?；、王村煤業(yè)有限責(zé)任公司的巖樣取自王村礦5132 大巷不同位置的頂?shù)装?；同發(fā)東周窯煤業(yè)公司巖樣本取自10#煤層頂?shù)装澹煌赫隳苈榧伊好簶I(yè)有限責(zé)任公司巖樣采自麻家梁煤礦4#煤層頂?shù)装?；同煤大唐塔山煤礦巖樣取自塔山礦盤道3#-5#煤層頂?shù)装濉?/p>

對(duì)各礦取出的巖芯，首先進(jìn)行RQD 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)不連續(xù)面間距、條件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（圖1）；隨后進(jìn)行各層位巖石的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；分類時(shí)對(duì)“不連續(xù)面方向”指標(biāo)按照“一般”情況處理，對(duì)“地下水條件”按照井下實(shí)地描述如“潮”、“微濕”、“干燥”等進(jìn)行定性評(píng)定；在獲得分類要求的各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果后，對(duì)照RMR 分類方案評(píng)分表進(jìn)行巖體RMR 值計(jì)算，再根據(jù)得到的RMR值對(duì)照分類表給出巖體的分級(jí)等級(jí)。

3 分類結(jié)果

按照RMR分類方案，對(duì)大同煤礦集團(tuán)公司所轄馬脊梁礦、燕子山礦、永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司、白洞煤業(yè)有限責(zé)任公司、王村煤業(yè)有限責(zé)任公司、同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司、同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司、同煤大唐塔山煤礦有限公司共8個(gè)礦進(jìn)行石炭二疊紀(jì)煤層開采所涉及的主要巖層進(jìn)行巖體工程分類的結(jié)果如表1所示。

總體上看，前述8個(gè)礦的相關(guān)巖體，分類結(jié)果分屬于Ⅲ級(jí)（一般巖石）、Ⅵ級(jí)（差巖石）巖體。RMR分類方案所揭示的巖體穩(wěn)定性規(guī)律表明，在Ⅲ級(jí)巖體中開挖跨度5 m的巷道，自穩(wěn)時(shí)間可達(dá)1周；在Ⅵ級(jí)巖體中開挖跨度2.5 m的巷道，自穩(wěn)時(shí)間為10小時(shí)。

表1 同煤石炭二疊紀(jì)煤層巖體工程分類結(jié)果表

4 支護(hù)建議

以白洞礦的Ⅳ級(jí)、差巖石為例，該等級(jí)石炭二疊紀(jì)煤層巷道頂板支護(hù)建議方案如下：

(1)巷道斷面的寬度為5 m

采用樹脂錨桿支護(hù)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.2 m，錨桿的排間距S為1.2×1.4 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C 為23.7 T，支柱的直徑φP為114 mm，支柱的間距Sp為1.5 m。

(2)巷道斷面的寬度為5.5 m

采用樹脂錨桿支護(hù)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.2 m，錨桿的排間距S為1.2×1.2 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C 為23.7 T，支柱的直徑φP為127 mm，支柱的間距Sp為1.4 m。

(3)巷道斷面的寬度為6.1 m

采用樹脂錨桿支護(hù)時(shí)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.5 m，錨桿的排間距S為1.5×1.5 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ為19 mm，錨桿的強(qiáng)度C 為12 T，支柱的直徑φP為140 mm，支柱的間距Sp為1.5 m。

(4)巷道斷面寬度為6.1 m時(shí)的兩巷交匯處

采用樹脂錨桿支護(hù)時(shí)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為2.4 m，樹脂的長(zhǎng)度為1.4 m，錨桿的排間距S 為1.5×1.5 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C為23.7 T，支柱的直徑φP為178 mm，支柱的間距Sp為1.4 m。

另外，沿煤層布置巷道時(shí)，由于兩幫及底板圍巖也是Ⅳ級(jí)，屬于差的圍巖，巷道支護(hù)時(shí)注意加強(qiáng)兩幫及底板的穩(wěn)定性也是很有必要的，尤其是在動(dòng)壓影響明顯的時(shí)候，可能會(huì)需要考慮對(duì)底板巖石進(jìn)行加固。

對(duì)于頂板巖石屬于“一般”級(jí)別的巷道，不同斷面寬度的巷道頂板支護(hù)建議采取如下方案：

（1）當(dāng)煤層巷道斷面寬度為5.0 m時(shí)，

采用樹脂錨桿支護(hù)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.2 m，錨桿的排間距S為1.2×1.5 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C 為23.7 T，支柱的直徑φP為140 mm，支柱的間距Sp為3.0 m。

（2）當(dāng)煤層巷道斷面寬度為6.0 m時(shí)，

采用樹脂錨桿支護(hù)時(shí)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.2 m，錨桿的排間距S為1.2×1.2 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C為23.7 T，支柱的直徑φP為165 mm，支柱的間距Sp為2.3 m。

(3)兩巷交匯處，巷道斷面的寬度為6.1 m

采用樹脂錨桿支護(hù)時(shí)，選取錨桿的長(zhǎng)度L 為1.0 m，樹脂的長(zhǎng)度為2.1 m，錨桿的排間距S 為1.5×1.5 m，錨桿的鋼材等級(jí)G為40，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強(qiáng)度C為15.8T，支柱的直徑φP為178 mm。

5 結(jié)論

（1）工程巖體的RMR分類方法是一種國(guó)際通用的方案，是巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)際化交流的基礎(chǔ)。

（2）基于RMR巖體工程分類方案建立的各級(jí)別巖體的支護(hù)方案對(duì)煤礦巷道支護(hù)有重要的指導(dǎo)意義。

（3）同煤礦區(qū)石炭二疊紀(jì)巖體工程分類結(jié)果在同煤集團(tuán)所轄煤礦的井下巷道支護(hù)工作中正發(fā)揮著積極作用。