白象山鐵礦巷道圍巖穩定性分類及支護對策研究

齊 彪 韓立軍 陳 軻 孫茂貴 黃小忠 張 建

(1.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116;3.馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司白象山鐵礦，安徽馬鞍山243184)

巷道圍巖穩定性分類是對巷道圍巖質量和穩定性狀況進行綜合評價的一種簡單迅速的基本方法，目的是科學、定量地描述巷道圍巖穩定性狀況，判明支護的主要對象，進而為不同工程地質和生產技術條件下選擇巷道支護強度、支護形式及參數，以及施工管理等問題提供合理的決策依據［1］。針對巷道圍巖穩定性分類方法，國內外學者做了大量的研究工作［2-6］，這些巷道圍巖穩定性分類方法都只是采用單一方法或對單一巷道圍巖穩定性進行粗略的評價分析，所提出的巷道支護形式與參數的選擇標準無法有效指導巷道支護設計工作。

馬鋼(集團)控股有限公司白象山鐵礦設計鐵礦石年產量200萬t，井巷開拓工程量巨大。礦區地質構造極其復雜，斷裂構造較發育，局部裂隙富水。由于礦區巖性差異較大，對圍巖特性研究不夠深入，巷道圍巖穩定性狀況基本依靠現場技術人員的定性描述和評價，因此無法確定巷道合理的掘進與支護參數，巷道支護設計缺乏科學依據。可能存在支護強度達不到圍巖穩定性要求而帶來的安全隱患或者圍巖條件較好而增加不必要的巷道支護成本。因此，急需開展巷道圍巖穩定性評價的研究與分析工作，完善白象山鐵礦巷道圍巖穩定性評價方法，以有效指導巷道掘進與支護設計工作。

1 巷道地質概況

白象山鐵礦副井－450 m水平和－495 m水平巷道地層為黃馬青組下段雜色巖層，層狀構造;圍巖為粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層，顏色以紫色、灰色、灰褐色為主;閃長巖為塊狀構造，細粒結構，主要成分有長石、角閃石、云母和少量的石英等，并伴有綠泥石化和碳酸鹽化;裂隙局部有發育，裂隙多為高傾斜或直立發育，小破碎帶較多，閃長巖泥化現象較嚴重，遇水膨脹。

2 巷道圍巖穩定性分類依據

2.1 巷道圍巖松動圈測試

由于巖體結構及其物理力學性質的復雜性，目前巖石力學支護理論還難以通過理論分析上的數值計算方法定量評估支護荷載，但對于圍巖穩定性影響因素已有共識，主要有巖體強度、原巖應力(原巖應力有自重應力、構造應力、采動及巷道間相互影響)、水、支護性能、施工方法等［3］。巖體強度的影響因素有巖塊強度、巖體結構、結構面特征、節理發育程度、充填狀況、風化程度。松動圈厚度值是一個綜合指標，它全面反映原巖應力(包括采動應力)，巖體性質(包括其強度、裂縫、軟弱夾層等)及施工和水等的影響［7］。

巷道支護圍巖松動圈分類表［7］以綜合指標作為圍巖分類依據。由于不同礦區的巷道圍巖物理力學性質與地應力差異較大，松動圈大小不同，巷道支護的難易程度也不同。因此不同礦區對應有適宜本礦區巷道圍巖性質的巷道支護圍巖松動圈分類表。

2.2 冶金礦山錨噴支護巷道圍巖分類

冶金礦山行業在考慮巖石單軸飽和抗壓強度、圍巖受地質構造影響程度、圍巖節理發育程度、節理寬度、巖層厚度等基礎上，將圍巖分為穩定、穩定性較好、中等穩定、穩定性較差四類，編制成冶金礦山錨噴支護圍巖分類表［8］。

3 巷道圍巖松動圈測試與分析

3.1 地質雷達探測方法

在白象山鐵礦副井－450 m水平沿脈東大巷、沿脈西大巷、水泵房硐室、主井－540 m水平卸載硐室、風井－390 m水平石門巷、－470 m水平石門巷等巷道的頂、底板和兩幫布置測線，進行了巷道圍巖松動圈地質雷達探測。雷達探測沿著巷道斷面進行測線布置，連續記錄采樣，探測深度為5 m。

3.2 地質雷達探測結果與分析

部分巷道松動圈范圍如表1所示。部分巷道測線的地質雷達探測剖面圖分別如圖1到圖4所示，從圖中可以看出:雷達波呈現較低頻、雜亂的多次震蕩顯示，說明圍巖在該處較為松散破碎，對雷達波造成一定程度的吸收。

表1 白象山鐵礦部分巷道松動圈范圍Table 1 Loose circle scope of part roadway in Baixiangshan iron ore

圖1 副井－450 m水平沿脈東大巷雷達探測剖面Fig.1 Radar cross section of along lode east main roadway in the－450 m level of auxiliary shaft

圖2 副井－450 m水平沿脈西大巷雷達探測剖面Fig.2 Radar cross section of along lode west main roadway in the－450 m level of auxiliary shaft

4 巷道圍巖工程分類

由于白象山鐵礦設計施工的巷道類型較多，其功能和服務年限也存在較大差異，且在不同中段巷道掘進過程中所穿越的地層也存在較大的不同，因此巷道開拓所采用的掘進與支護方式是否合理將嚴重施工效率與成本。

圖3 風井－390 m水平石門巷雷達探測剖面Fig.3 Radar cross section of crosscut roadway in the－390 m level of ventilation shaft

圖4 風井－470 m水平石門巷雷達探測剖面Fig.4 Radar cross section of crosscut roadway in the－470 m level of ventilation shaft

根據巷道圍巖基本物理力學性質試驗、地質雷達松動圈測試結果，綜合采用冶金礦山錨噴支護圍巖分類和圍巖松動圈分類方法對白象山鐵礦主要巷道圍巖進行分類。在進行巷道支護圍巖松動圈分類時，選擇有代表性的巖層和巷道測出松動圈的數值填入巷道支護圍巖松動圈分類表［7］中，得到白象山鐵礦不同水平巷道圍巖穩定性綜合分類表。在實際應用此分類表時，遇有遇水膨脹巖石或構造應力集中地區，應補測分類。巖石飽和狀態下單軸抗壓試驗結果表2所示，白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類如表3所示。

表2 巖石飽和狀態下單軸抗壓試驗結果Table 2 Uniaxial compression test results of saturated state rock

該圍巖分類方法為初步分類，現場可根據巷道可能穿越地層特性，采用物探方法對圍巖進行預分析，并及時分析揭露后的巖層特性，確定圍巖準確類別，然后選擇合理的掘進和支護方式，從而優化巷道開拓施工方案與支護參數。

5 基于圍巖分類的巷道支護對策分析

針對白象山鐵礦不同類型巷道工程特點，結合白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類表，進行合理的支護方式與支護參數的優化研究，制定出白象山鐵礦巷道支護方案選擇表，如表4所示。

表3 白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類表Table 3 Comprehensive classification table of roadway surrounding Rock'stability in Baixiangshan iron ore

表4 白象山鐵礦巷道支護方案選擇表Table 4 Scheme selection of the roadway support in Baixiangshan iron ore.

在根據白象山鐵礦巷道支護方案選擇表進行巷道支護設計時，應根據巷道不同的圍巖類別進行支護機理選擇:第I、II類圍巖采用懸吊理論進行設計，第III、IV類圍巖采用組合拱、組合梁理論來進行設計;在選擇支護形式和參數時，若同一類圍巖受采動影響或巷道布置較為密集，應該加大支護強度;第V類巷道圍巖主要位于斷裂破裂帶中，圍巖松散破碎，構造應力大，穩定性較差，同時受高壓裂隙水的作用，因此，應該對這類圍巖進行加強支護，制定更加合理、安全可靠的支護方案技術方案。

6 圍巖變形監測分析與評價

巷道圍巖變形監測可以反映巷道開挖后圍巖的變形收斂特征，檢驗巷道支護結構、設計參數及施工工藝的合理性，為修改、優化支護參數提供科學依據。圍巖表面收斂位移量測采用收斂計，每隔30～50 m布置1個監測斷面，每個監測斷面采用中腰十字布點法共布置4個測點，部分巷道圍巖位移隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 巷道圍巖隨時間變化曲線Fig.5 Variation curve of roadway surrounding rock with time

由圖5分析可知，5個巷道收斂變形與頂底板收斂變形曲線趨勢基本一致:隨著時間的變化呈現加速變形階段、波動變形階段以及穩定變形階段。巷道兩幫收斂變形約為2.93～5.85 mm，平均值約為3.88 mm;巷道頂底板收斂變形約為0.437～3.431 mm，平均值約為1.73 mm。巷道收斂變形曲線表明:巷道兩幫圍巖收斂變形量大于巷道頂底板圍巖收斂變形量，說明巷道頂板錨桿有效的約束了頂板圍巖的變形，應該加強巷道兩幫圍巖的支護，以提高兩幫支護抗力與支護結構的整體穩定性。

7 結論

(1)基于巖石基本物理力學性質試驗和地質雷達松動圈探測結果，綜合采用冶金礦山錨噴支護圍巖分類和圍巖松動圈分類方法，對白象山鐵礦主要巷道圍巖進行分類，制定出白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類表，將巷道圍巖穩定性分為穩定的I類、穩定性較好的II類、中等穩定的III類、穩定性較差的IV類以及穩定性極差的V類。

(2)以白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類表為基礎，對每類巷道圍巖穩定性狀況進行分析，進行合理的支護方式與支護參數的優化研究，制訂出白象山鐵礦巷道支護方案選擇標準，有效地指導了白象山鐵礦巷道支護設計。

(3)巷道圍巖變形監測分析結果表明，參考白象山鐵礦巷道圍巖穩定綜合分類表，針對不同的圍巖類別選用合理的的支護形式與參數，可有效地控制巷道圍巖兩幫及頂底板的收斂變形，保證巷道的長期安全與穩定。

(4)工程實踐表明，以白象山鐵礦巷道支護方案選擇標準為依據進行巷道支護設計，可以大大減小巷道支護形式與參數選取時的盲目性，有效地指導了巷道支護設計工作，具有較高的工程應用價值。

［1］ 鄒喜正.煤礦巷道圍巖穩定性分類［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1995.Zou Xizheng.Classification of Surrounding Rock Stability in Roadway of Coal Mine［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，1995.

［2］ 董隴軍，趙國彥.未確知均值分級方法及在回采巷道圍巖分類中的應用［J］.解放軍理工大學學報:自然科學版，2009，10(6):575-579.Dong Longjun，Zhao Guoyan.Unascertained average classification method for classifying surrounding rocks of mining roadways［J］.Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition，2009，10(6):575-579.

［3］ 陳坤福，靖洪文，韓立軍.基于實測地應力的巷道圍巖分類［J］.采礦與安全工程學報，2007，24(3):349-352.Chen Kunfu，Jing Hongwen，Han Lijun.Classification of roadway surrounding rocks based on field measured ground stress［J］.Journal of Mining＆Safety Engineering，2007，24(3):349-352.

［4］ 丁新啟，喬 蘭，朱蘭洋.基于模糊聚類分析的回采巷道圍巖分類與支護研究［J］.金屬礦山，2009(5):11-15.Ding Xinqi，Qiao Lan，Zhu Lanyang.Study on the classification and support of the wall rock of mining roadway based on fuzzy clustering，Metal Mine，2009(5):11-15.

［5］ 孫玉亮，梁 明，張 婧.基于最優加權法的圍巖穩定性分類研究［J］.山西焦煤科技，2011(6):46-50.Sun Yuliang，Liang Ming，Zhang Jing.The optimal weighting method based on the classification of the stability of surrounding rock［J］.Shanxi Coking Coal Science and Technology，2011(6):46-50.

［6］ 魏玉華，沈 波.基于Fisher模型的 TBM隧道圍巖分類研究［J］.山西建筑，2011(21):156-157.Wei Yuhua，Shen Bo.Study on adjacent rock classification of TBM tunnels based on the Fisher model［J］.Shanxi Architecture，2011(21):156-157.

［7］ 董方庭，宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動圈支護理論［J］.煤炭學報，1994，19(1):21-32.Dong Fangting，Song Hongwei，Guo Zhihong，et a1.Roadway support theory based on broken rock zone［J］.Journal of China Coal Society，1994，19(1):21-31.

［8］ 許慶達.冶金礦山地下結構圍巖分類［J］.有色金屬:礦山部分，1979(4):17-27.Xu Qingda.Classification of surrounding rock of underground structure of metallurgical mines［J］.Non-ferrous Metals:Mines Section，1979(4):17-27.