基于巖體強度理論的巷道圍巖穩定性分級*

牛少卿 楊雙鎖，2 李 義

(1.太原理工大學礦業工程學院;2.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室)

為了應對采礦等各種地下工程的建設，學者們早在18世紀時就開始研究關于巖體穩定性分級的方法。經過長時間的發展，目前巖體分級方法主要有普氏分類法、太沙基分類法、RMR系統分類法、Q系統分類法、QRD分類法以及后來學者利用模糊數學等方法建立的巖體分類標準。其中有以單因素作分類指標，也有以多因素按權值共同作用的分類指標［1-4］。這些分類方法在地下工程的應用中起到了許多關鍵作用，然而巖體穩定性分類方法在評價具體工程時并不具有準確的通用性，對于特定的工程建立特定的巖體穩定性分級的方法與標準就極為重要。

陽煤集團五礦后備區建井時存在埋深大、巷道斷面大的特征，且地質構造發育。為了能合理確定后備區井底車場不同地段圍巖的穩定性級別及巷道支護基本措施，本研究通過理論推演、現場實測、實驗室測定等方法給出巷道圍巖穩定性判別指標及級別，并應用于陽煤集團五礦后備區。

1 巖體穩定性分級指標的選擇

影響巖體穩定性的因數有巖體的物理力學參數、地下空間尺寸和形狀、地質構造、地應力、地下施工方式、地下水等，在特定的工程中，每種因素的影響輕重并不相同，針對該礦后備區井底車場特征，分析認為影響圍巖穩定性的因素主要為巷道斷面、應力特征及巖體力學參數。

地下巖體在未進行施工以前大多處于三向應力狀態，當巷道開采后，由于二次應力場的作用，巷道圍巖體一般處于二維應力狀態，以巷道為圓形斷面分析主應力的方向，3個主應力方向分別為巷道的徑向、切向和走向，3個主應力的大小分別為切向大于走向大于徑向，這樣就可以得到σ1=σθ，σ2=σz，σ3=σr=0［5-7］。3個主應力的數值可以借助于數值計算或者地應力測試得到。這樣就得到了巷道圍巖應力狀態。

多年來學者們給出的許多關于巖體強度理論的有益成果表明巖體的承載能力不能通過簡單的抗壓強度或者抗壓強度來表示，巖體的破壞基本分為剪切破壞和拉伸破壞2種。其中Mohr－Columb強度準則在描述巖體剪切破壞方面得到了大范圍的認可，而Griffith強度準則在描述巖體拉伸破壞方面也得到了眾多科學家的檢驗［6-9］。為此，判定圍巖破壞應從剪切和拉伸兩方面考慮，且可以采用Mohr－Columb強度準則和Griffith強度準則合理結合的方法。

Mohr－Columb強度準則寫成主應力的表達式為

其中有單軸抗壓強度

式中，c為巖體內聚力，φ為巖體內摩擦角，而對于特定巖體來說σc是巖體的特性參數，其值為常數。

定義表達式

經過多次測試運行，統計出平均識別率，得到在不同像素分類情況下PNN的識別率。見表1。除此之外，在以上結論的前提下（10像素組擁有最佳的識別效果）與PNN神經網絡相似的BP神經網絡以及LVQ神經網絡也使用相同的特征矩陣進行了識別工作，與其進行了橫向對比。為了對比的公平，BP神經網絡和LVQ神經網絡將采用相同的10像素組特征矩陣進行訓練和分類。

式(3)分母反應巷道圍巖的應力狀態，分子則反映了巖體的強度特征，故當W1大于1時巖體發生剪切破壞。據此可知，物理量W1可以反映圍巖破壞區域的傾向性，為此可以利用W1作為巖體穩定性指標。

對于sinφ，可以利用得到的巖體抗拉強度σt和抗壓強度σc依據下式求解:

Griffith強度利用主應力可以表示為

對于特定巖體來說σt是巖體的特性參數，其值為常數，定義表達式

同樣，式(6)分母反應巷道圍巖的應力狀態，分子則反映了巖體的強度特征，W2大于1時巖體發生拉伸破壞，為此可以利用W2作為巖體穩定性指標。

W1為評價圍巖體剪切破壞的危險程度的指標，W2為評價圍巖體拉伸破壞的危險程度的指標。為了能綜合評價圍巖體破壞危險程度，考慮到了巷道圍巖穩定性的疊加效應，在建立巷道圍巖穩定性綜合指標時，利用指標W1和W2的乘積作為依據，期間考慮到由于巖體力學參數測試中部分數據無法獲得，如果只有單一指標，那么單一指標將作為綜合指標值，圍巖體穩定性綜合指標

至此，已得到一個可以反應巷道圍巖穩定性的綜合指標W。

2 巷道圍巖穩定性分級的基本原則

前面獲得了巷道圍巖穩定性的評價指標，能清楚地認識巷道圍巖穩定性指標W在不同情況下圍巖的穩定性狀況及所需采取的基本支護方式。

巷道圍巖穩定性分級的目的是明確巷道圍巖的危險級別以及給出基本的支護體系，以這個目的為基本點建立巷道穩定性分級原則時，需要給出巖體強度特征與應力場特征之間的大小關系。為此，本研究以巷道圍巖穩定性指標W為依據建立圍巖穩定性的分級標準，并針對各類別的圍巖制定相應的支護方案。圍巖分類的基本原則:①以巷道圍巖穩定性指標W作為圍巖分類的唯一依據;②巷道圍巖分為6個類別;③對各個類別的圍巖制定相應的支護方案。

表1為巷道圍巖穩定性分級方案。

獲得巷道圍巖穩定性指標和分級標準后，在工程實踐中就可以根據巖體的特性以及應力場特征對巷道圍巖進行計算和分級，并據此判斷巷道的潛在穩定性特征。

表1 巷道圍巖穩定性分級

3 五礦后備區巷道圍巖穩定性分級

為揭示五礦后備區井底車場巷道的穩定性程度，通過現場取芯并運回實驗室測定，根據取樣位置及巖性特征，試樣分為14組，其主要類別為角礫巖、含有泥質夾層的砂巖、石灰巖、泥質砂巖、粉砂巖、砂紙泥巖、泥巖、中粒砂巖、鋁土質泥巖。利用巖塊－巖體參數轉化方法(其中考慮巖石類型、巷道埋深、構造發育情況、爆破掘巷等因素)獲得巖體的力學參數。

圖1為由單軸抗壓強度、GSI、成巖形式和擾動系數確定巖體力學參數圖。

圖1 巖體力學示意

圖2為巖體壓拉比柱狀圖。從圖2中可以看出壓拉比各不相同，壓拉比大致在6～10范圍，平均值為8，且基本呈正態分布特征，因此可以認為所研究巖體整體特征上基本符合Griffith強度理論8倍的特性，亦即Griffith強度準則在此有很好的適用性。

圖2 巖樣壓拉比柱狀圖

根據直墻半圓拱斷面特性，取開挖后巷道應力集中系數為3，根據前面所給理論計算可得穩定性系數，巷道圍巖穩定性分級結果見表2、圖3～圖5所示。

表2 五礦后備區不同巖性巷道圍巖穩定性分類

圖3 各組試件穩定性指標對比

圖4 各組試件圍巖穩定性級別

圖5 圍巖穩定性級別所占百分比

圖3為所取各組試件各穩定性指標大小對比柱狀圖。據圖可知，在評價巷道圍巖穩定性級別方面，指標W1和W2危險級別比較均衡，其在評價巷道圍巖穩定性中占有相同的地位。

圖5給出了陽煤集團五礦后備區井底車場附近圍巖穩定性分級百分比圖。根據分級結果可以看出，在現場所取的巖樣中，沒有類別屬于1級的，處于2級的占7.1%，處于3級的占35.7%，處于4級的占28.6%，處于5級的占21.4%，處于6級的占7.1%，因此巷道掘進施工支護是應以緊跟工作面掛網、打設錨桿、離工作面10 m噴射混凝土為主，部分巖性差的區域安裝“U”型鋼支架。

4 結論

(1)壓剪破壞與拉伸破壞是巷道圍巖破壞的2種基本形式，利用Mohr－Columb、Griffith相結合的強度準則可以判別巷道圍巖破壞。

(2)巷道圍巖應力狀態和強度特征是影響巷道穩定性的主要因素，其相對大小關系可以合理描述巷道圍巖穩定性程度。

(3)巷道的支護形式與分級水平密不可分，本研究給出了巷道圍巖穩定性分級指標、分級標準及參考支護類型。

(4)通過對五礦井底車場巷道圍巖穩定性分級，給出了不同巖性條件下巷道支護的基本形式。

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