巖體質(zhì)量分級(jí)預(yù)測(cè)與支護(hù)方式研究

詹梅芬，廖美紅，賈名濤，秦 波，章雄飛，李成軍，徐建飛

（浙江金安設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江遂昌323300）

礦山安全生產(chǎn)是一項(xiàng)復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程[1-2]。在礦山設(shè)計(jì)及開(kāi)采的各個(gè)階段，正確地對(duì)礦區(qū)巷道圍巖進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，進(jìn)而對(duì)其穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，是保障礦山安全生產(chǎn)的最關(guān)鍵、最基礎(chǔ)的工作之一[3-5]。通過(guò)對(duì)礦山深部礦段部分巖樣進(jìn)行巖體質(zhì)量等級(jí)預(yù)測(cè)，并借助數(shù)值模擬方法，研究巷道賦存在不同等級(jí)巖體狀態(tài)下的宏觀力學(xué)行為及支護(hù)效果，對(duì)保障礦山持續(xù)安全高效生產(chǎn)具有重大意義[6-8]。

1 工程背景介紹

礦區(qū)位于前坪仔村134°方向1.02km，礦區(qū)地形總體趨勢(shì)是東南高，西北低。礦區(qū)東部山體呈近南北走向，礦區(qū)南部山體呈北西走向，山體多呈渾圓形，地形切割嚴(yán)重，溝谷多呈“V”形，坡度一般35°～45°，局部大于55°。最高點(diǎn)位于礦區(qū)南部，海拔1183.3m（人頭崗），最低點(diǎn)位于礦區(qū)西北部溪床，海拔725.0m，相對(duì)高差450m。對(duì)礦山各中段進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查得到礦山不同地質(zhì)巖體的樣本特征：+810m 中段：聲脆、回彈，微風(fēng)化；巖石微風(fēng)化飽和單軸抗壓強(qiáng)度99.8MPa；巖石堅(jiān)硬；結(jié)構(gòu)面發(fā)育平均間距95cm二組；結(jié)構(gòu)面結(jié)合好；巖體縱波波速3630m/s；巖石縱波波速5000m/s；完整性系數(shù)0.527；巖體完整；Rc＞90Kv+30，BQ=464，屬Ⅱ級(jí)；定性與定量特征不吻合；最終等級(jí)Ⅱ級(jí)。+760m中段：聲脆、回彈，微風(fēng)化；巖石微風(fēng)化飽和單軸抗壓強(qiáng)度100.8MPa；巖石堅(jiān)硬；結(jié)構(gòu)面發(fā)育平均間距100cm 一組；結(jié)構(gòu)面結(jié)合好；巖體縱波波速4500m/s；巖石縱波波速5700m/s；完整性系數(shù)0.623；巖體較完整；Rc＞90Kv+30，BQ=514，屬Ⅱ級(jí)；定性與定量特征吻合；最終等級(jí)Ⅱ級(jí)。+710m中段：聲脆、回彈，未風(fēng)化；巖石微風(fēng)化飽和單軸抗壓強(qiáng)度104.7MPa；巖石堅(jiān)硬；結(jié)構(gòu)面發(fā)育平均間距105cm一組；結(jié)構(gòu)面結(jié)合好；巖體縱波波速4690m/s；巖石縱波波速5410m/s；完整性系數(shù)0.752；巖體完整；Rc＞90Kv+30，BQ=581，屬Ⅰ級(jí)；定性與定量特征吻合；最終等級(jí)Ⅰ級(jí)。

2 指標(biāo)篩選及分級(jí)模型優(yōu)選

2.1 指標(biāo)篩選

取樣調(diào)查得到的樣本特征較多，且部分指標(biāo)之間存在著不同程度的相關(guān)性，如果將所有變量全部引入巖土工程質(zhì)量分級(jí)中，將是不合適的[9]。

利用R語(yǔ)言軟件，采用R型聚類分析方法，并結(jié)合專家學(xué)者以往經(jīng)驗(yàn)，將巖體質(zhì)量分級(jí)影響指標(biāo)最終被分為3 類。最后通過(guò)因子分析篩選得到5 個(gè)影響指標(biāo)作為后續(xù)巖體質(zhì)量分級(jí)預(yù)測(cè)模型研究的變量，見(jiàn)表1。

從影響巖體質(zhì)量分級(jí)的10 個(gè)指標(biāo)中，最終挑選得到巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）、巖體完整性系數(shù)（Kv）、節(jié)理間距（JointDis）、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比（Ratio）5個(gè)影響指標(biāo)作為后續(xù)分級(jí)預(yù)測(cè)模型研究的變量。體重（Weight）指標(biāo)暫不考慮主要是由于容重的區(qū)間范圍在2.35～2.67g/cm3，且該指標(biāo)的變異系數(shù)僅為0.034，在所有影響指標(biāo)中最小。

表1 影響指標(biāo)分類匯總表

2.2 預(yù)測(cè)模型優(yōu)選

通過(guò)設(shè)置隨機(jī)種子，將40 個(gè)樣本隨機(jī)切分成5 個(gè)相等的子集。原始數(shù)據(jù)通過(guò)隨機(jī)抽取后的樣本排序見(jiàn)表2。

以R為編程語(yǔ)言，在RStudio開(kāi)發(fā)環(huán)境中通過(guò)支持向量機(jī)模型參數(shù)尋優(yōu)以及對(duì)比線性判別分析與隨機(jī)森林模型，最終得到各類模型誤判樣本數(shù)量見(jiàn)表3。

表2 巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)樣本

表3 類模型誤判樣本數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從4類模型4次試驗(yàn)誤判率樣本數(shù)量可知：隨機(jī)森林模型的表現(xiàn)并不是在每次試驗(yàn)中都處于最優(yōu)。在第2 次試驗(yàn)中隨機(jī)森林模型的預(yù)測(cè)效果與線性判別分析模型、SVM（線性核函數(shù)）模型一致；但在第4次試驗(yàn)中隨機(jī)森林模型的預(yù)測(cè)效果就不如線性判別分析模型、SVM（線性核函數(shù)、徑向基核函數(shù)）模型。這也說(shuō)明：僅靠一次隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)模型，偶然性較大，其結(jié)果并不具有代表性。而通過(guò)多次隨機(jī)試驗(yàn)，將評(píng)估參數(shù)的均值作為最優(yōu)模型的判別標(biāo)準(zhǔn)更加合理。

通過(guò)對(duì)比各類模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，確定最優(yōu)預(yù)測(cè)模型為隨機(jī)森林模型。

3 支護(hù)方式研究

3.1 數(shù)值模型及力學(xué)參數(shù)選取

為保障后期工程的安全，基于巖體質(zhì)量分級(jí)及不同等級(jí)巖體支護(hù)方式，建立運(yùn)輸巷道在不同巖體中的工程地質(zhì)力學(xué)模型，研究巷道賦存在不同等級(jí)巖體狀態(tài)下，宏觀力學(xué)行為及支護(hù)效果。

工程地質(zhì)力學(xué)模型的尺寸長(zhǎng)×寬×高為36m×30m×34m，模型共劃分為 144600 個(gè)單元，153078 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型底部邊界為垂直方向約束，4 個(gè)側(cè)面為水平方向約束，上部邊界為自由邊界，應(yīng)力邊界條件按照實(shí)測(cè)應(yīng)力進(jìn)行施加。屈服準(zhǔn)則采用Mohr—Coulomb 模型，建立的工程地質(zhì)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 巷道工程地質(zhì)力學(xué)模型及支護(hù)形式展示

通過(guò)參考礦區(qū)礦巖力學(xué)參數(shù)，綜合考慮前坪仔礦區(qū)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，得到其巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見(jiàn)表4。

表4 工程巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值表

3.2 巷道圍巖破壞分析

對(duì)比圖2～圖4中（a）圖可知：破壞模式均以剪切破壞為主。在未支護(hù)工況下，主要破壞位置在頂?shù)装?。巷道在Ⅳ?jí)巖體中，巷道周圍均出現(xiàn)破壞，邊幫位置出現(xiàn)剪切破壞。隨著巖體完整性的提高，巷道周圍塑性區(qū)范圍逐漸減小。

分析圖2～圖4 中圖（b）可知：Ⅳ級(jí)巖體較破碎，支護(hù)后頂板塑性區(qū)明顯減少，邊幫塑性區(qū)也同樣減少。底板位置塑性區(qū)變化大不，由于支護(hù)沒(méi)有覆蓋至底板位置。在Ⅲ級(jí)圍巖中，底板塑性區(qū)范圍較小。

4 結(jié)論

（1）基于K折交叉驗(yàn)證方法，通過(guò)支持向量機(jī)模型參數(shù)尋優(yōu)和對(duì)比線性判別分析模型與隨機(jī)森林模型，開(kāi)展了巖體質(zhì)量分級(jí)預(yù)測(cè)模型的優(yōu)選研究。研究表明：基于隨機(jī)森林的巖體質(zhì)量等級(jí)預(yù)測(cè)模型誤判率最低，性能最好，4次隨機(jī)試驗(yàn)整體誤判率僅為7.5%。

（2）借助數(shù)值模擬方法，研究了巷道賦存在不同等級(jí)巖體狀態(tài)下，宏觀力學(xué)行為及支護(hù)效果。結(jié)果表明：Ⅳ級(jí)巖體為破碎巖體，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方案以后，頂板變形與塑性區(qū)大大降低，但需要關(guān)注底鼓現(xiàn)象。Ⅲ級(jí)巖體與Ⅱ級(jí)巖體完整性較好一些，巷道掘進(jìn)過(guò)程中受到擾動(dòng)較少，采用錨噴與素噴支護(hù)形式以后，都使塑性區(qū)范圍減少，圍巖頂板位移降低，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。對(duì)前坪仔礦區(qū)安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖2 Ⅳ級(jí)圍巖巷道掘進(jìn)與支護(hù)對(duì)比塑性區(qū)分布圖

圖3 Ⅲ級(jí)圍巖巷道掘進(jìn)與支護(hù)對(duì)比塑性區(qū)分布圖

圖4 Ⅱ級(jí)圍巖巷道掘進(jìn)與支護(hù)對(duì)比塑性區(qū)分布圖