白音呼布巖體力學研究及支護設計專家系統應用

尤克成，齊小磊，黃 超

（錫林郭勒盟山金白音呼布礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026000）

1 巖體質量及地應力情況

白音呼布公司設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現，淺部62線以西采場普遍存在巖體泥化、破碎現象，62線以東采場出現巖爆現象；隨著開拓深度的增加，地應力逐漸增大，當開拓至100m中段時，巖爆現象頻繁發生，一度影響了項目建設進度。

圖1 管縫錨桿支護后圍巖脫落、深部巷道巖爆現象

圖2 垂直于主應力方向支護破壞嚴重

2 巖石力學項目開展情況

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

通過綜合運用BQ法、RMR法和Q系統法對礦山巖體質量進行全面質量評價，探索了RQD參數與巖體質量的對應關系，在此基礎上對各類巖體的采場最大跨度進行了研究，對不同巖體中錨桿的錨固力進行了現場檢測，并進一步優化了支護設計參數，開發了支護設計專家系統，極大地方便了現場技術人員精準優化設計方案。同時掌握了深部主應力方向對開拓工程的影響規律，為新開拓中段的巷道布置提供了設計依據，柔性支護理念在公司得到深入推廣。

（1）綜合采用BQ法RMR法和Q系統法對礦山巖體質量進行全面質量評價，完成了RQD參數統計[1]、地下水狀態、結構面參數、地應力、抗壓強度[2]、點荷載的實驗和調查，對礦山各個采場巖體質量與穩定性進行評價，實現了對不同中段不同區域不同巖性合理優化采場設計參數，合理選擇不同支護方式的目的，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。

圖3 錨桿拉拔試驗

通過數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定。

（2）RQD系統的運用。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，每次進尺中等于或大于10cm的柱狀巖芯的累計長度與每個鉆進回次進尺的百分比，可用于對巖體進行分類和巖體質量評價。作為反映工程巖體完整程度的定量參數，目前該指標已被廣泛應用于各種工程巖體的穩定性評價。

表1 各測點主應力計算結果

為方便工程技術人員利用坑探巖芯提前進行巖體質量預判，收集了建礦以來的坑內鉆探RQD參數，對照巖體質量評價結論，找出了坑內鉆探RQD參數與巖體質量的對應關系，實現了以坑內鉆探指導采掘工程支護設計的目的。

圖4 坑內鉆探RQD參數統計

對比發現，從采礦工程安全角度進行考慮，在公司花腦特礦床通過RQD值判定的巖體質量等級，可直接應用于巖石的質量評價。統計發現，RQD小于36.67，開采跨度4m～6m時，需要間距為1.2m～1.8m的規則錨固支護。當開采跨度在4m，RQD值＞61時不需要支護或局部錨固支護。當開采跨度在6m，RQD值＞72時不需要支護或局部錨固支護。目前，公司所有坑內鉆巖芯RQD值全部建立臺賬并上圖，較好地保存了原始地探資料，所有單體設計全部以RQD值進行巖體質量預判，再通過支護專家系統進行支護方式設計。掘進或采場揭露后，再根據現場實際情況，運用RMR或Q系統法對巖體質量進行準確分級，同時對前期支護設計的合理性進行二次驗證。如果發現原設計強度不足時，需進行設計變更。

圖5 地應力在線監測系統

（3）針對巷道掘進過程中存在的巖爆現象，與深井開采實驗室合作采用地應力測試、巖體結構面調查與巖石力學試驗、開采過程中圍巖應力、變形現場監測等手段，開展了礦區地應力場分布、巖體結構、巖性分布、巖石力學性質及開采過程應力遷移和地壓活動規律研究。同時與北科大項目組也進行了相關地應力測量工作，運用數值模擬系統地分析了巷道走向與最大水平主應力方向呈不同角度時圍巖的穩定性，得出了各中段巷道軸向與最大水平主應力方向最優夾角，并且利用該方法調整了100m中段沉泥巷方向，最大程度地降低了地壓災害。

（4）按照“開采深度超過800m的礦山企業要建立地壓在線監測系統”要求，同時結合公司深部開拓現狀，公司巖石力學工作室與北京科技大學聯合開發了深部地壓在線監測系統，實現了深部中段應力、位移的實時監測及預報。

3 支護軟件系統介紹

在前期巖石力學工作的基礎上，結合現場實際，開發了支護專家系統。系統包括巖石質量指標（RQD）模塊、巖體地質力學（RMR）模塊、隧道巖體質量指標（Q系統）模塊。通過運行相應的圍巖分類模塊，基于力學指標、圍巖等級、結構參數等基礎數據從而對不同圍巖條件下的圍巖支護參數進行運算與優化，最終形成以巖體質量級別為依據的巷道支護方案。而且以這種方式，可將巖石力學基礎數據真正納入到圍巖穩定性分析和支護設計過程，提高地壓控制的科學性和合理性。操作流程如下：①選擇圍巖質量評價方法。本系統目前支持三種圍巖質量評價方法，分別為巖石質量指標分類（RQD）、CSIR巖體地質力學分類（RMR）和NGI隧道巖體質量指標分類（Q系統）；②在圍巖質量評價界面輸入必需的現場調研數據，系統可據此計算出圍巖質量的評分值，并對圍巖質量進行分類，給出對應的支護方案；③導出計算結果和支護方案至EXCEL，方便用戶閱覽和使用。

圖6 利用支護專家系統得出支護形式及參數

4 取得的效果

白音呼布公司巖石力學工作的開展在北科大及山東黃金集團深井實驗室的大力支持幫助下，實現了從經驗管理到科學研判的轉變，同時支護專家系統的使用進一步規范了支護設計流程，改善了掘進施工質量及采場支護管理，在項目巖體質量較差且巖爆多發的情況下，保證了作業安全。