大同礦區石炭二疊系巖體的工程分類實踐

翟英達

（太原理工大學礦業工程學院山西太原030024）

1 引言

煤炭井工開采中工程巖體的穩定性評判是一項十分重要的工作，工程巖體的穩定性評判是建立在工程巖體分類上的。可以追溯到的分類科學最早見于古希臘人的著作中。分類是對相似性的認識過程和由此帶來的物體集合。若干個世紀以來，分類在社會實踐中的各行各業都發揮了重要作用。在全球的采礦工程和地下工程設計中，分析法、實驗觀測法和經驗法是三種基本的設計方法，到目前為止，經驗法幾乎占統治地位，巖體工程分類已構成經驗設計法不可分割的部分。事實上，經驗法應用的基礎，是對施工對象——工程巖體的正確分類，畢竟取得的經驗都是建立在對不同類別巖體的認識上的。在許多地下結構與采礦設計中，按照工程巖體分類進行方案確定已經成為常用的系統設計方法。

巖體分類系統（方案）是為解決地下工程巖體支護問題而建立的。在上個世紀，當開始研究現在使用的巖體分類系統時，世界范圍內的隧道工程基本上被十分有限的現場調查程序和設計方法所充斥，那時的方法遠達不到各種工程設計的要求。發展到現在，巖體分類從雜亂無序的現場調查模式中創立了特定程式、秩序，從而為工程提供了不可或缺的設計手段。

工程巖體分類系統，是20世紀巖體工程領域中最重要的研究成就之一。在巖土工程領域，世界上諸多圓滿完成的工程證明巖體工程分類系統為工程設計提供了強有力的幫助，并且在安全高效、簡捷方便及節約費用方面具有明顯的優勢。

在諸多的巖體分類方案中，由Z.T.Bieniawski 于1973 年提出的巖體權值RMR 分類系統是自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，它為巖體質量描述及圍巖支護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特性千變萬化的復雜材料，這就使得巖體工程設計者面對的問題具有獨特性——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育程度的增加而降低；在工程開挖中，巖體內破斷裂隙的增加并不意味著圍巖完全喪失了承載能力，這種現象在絕大多數地面工程結構中不能被容忍，但在巖石地下工程中必須接受。因此，設計一個礦井或一條隧道的問題不同于設計房屋或橋梁這些傳統結構。

在多數采礦及地下工程條件下，工程中同時遇到的往往是許多種巖石類型，設計工程師與地質工程師所面對的巖石是被各種不同類型的不連續面分割而成的巖塊組合體，因此，他們必須考慮未擾動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計的替代品出現的，而是被工程設計者明智應用的，它可以和觀測方法、分析研究一起共同闡述與設計目標及場址地質條件相符合的總體設計原理。針對具體目標正確進行巖體工程分類，可以為設計工程師提供強有力的設計手段。

巖體工程分類的根本目標包括：（1）辯識影響巖體工程行為的最主要參數；（2）將某區域的巖體分成具有相似力學特征的若干組——即具有不同質量的巖體等級；（3）為辯識各種巖體等級提供合理的特性描述基礎參數；（4）將在某場所遇到的巖石條件及所得經驗與在其它場所的經驗相聯系，使工程類比法在使用時更加科學、正確；（5）為工程設計提供必要的定量數據；（6）為同行（如采礦工程師）之間、非同行（如采礦工程師與地質工程師）之間的交流搭建共同的基礎平臺。

巖體工程分類帶來的好處體現在：（1）可以提高工程巖體的現場調查質量；（2）為實現巷道支護設計目標提供定量的數據；（3）使得科學的巖石地下工程穩定性評判與高效的巖石地下工程圍巖支護設計之間交流變得便捷。

根據大同煤礦集團煤炭的開采需求，集團公司曾委托太原理工大學校對同煤集團所轄的包括馬脊梁礦、燕子山礦、永定莊煤業有限責任公司、白洞煤業有限責任公司、王村煤業有限責任公司、同發東周窯煤業有限公司、同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司、同煤大唐塔山煤礦有限公司等8個礦在內的石炭二疊紀煤層開采中涉及的主要巖層依照巖石取樣、巖石節理及RQD 指標統計、巖石按層位分組、試件加工、參數測試、巖體工程分類的順序開展了“石炭二疊紀巖體工程分類”工作。分類涉及的巖石物理力學參數測試按照國家標準（GB/T50266—99）以及煤炭行業標準（MT44～48—87）進行；考慮國內外工程巖體分類方案的應用趨勢[1]，采用 Z.T.Bieniawski 提出的 RMR 巖體分類方案，對上述8 個礦的石炭二疊紀煤層巷道圍巖進行穩定性分類，并依照Erdal Unal 基于Bieniawski RMR 系統的煤層巷道頂板分類及其支護方案確定方法[2]，提出相應的巷道圍巖支護方案建議。

2 分類過程

RMR巖體分類方案涉及的分類考核指標體系由6個基本參數構成，分別是：（1）巖石的單軸抗壓強度；（2）巖石質量指標（RQD）；（3）巖層中不連續面的間距；（4）巖層中的不連續面條件；（5）工程位置的地下水條件；（6）不連續面方向。就具體分類對象，針對上述6個基本參數分別評價、打分，得分累加后即獲得分類對象巖體的RMR 分值，最后按照RMR 分類方案不同級別巖體對應的RMR分值進行巖體分級判斷，得出分類對象巖體所屬的等級。這個分類方案把工程巖體分為五個等級，分別是：Ⅰ級（很好巖石）、Ⅱ級（好巖石）、Ⅲ級（一般巖石）、Ⅳ級（差巖石）、Ⅴ級（很差巖石）。

馬脊梁礦巖樣取自馬脊梁礦風井井檢2 號孔；燕子山礦巖樣取自5#煤層頂底板；永定莊煤業的巖樣取自該礦4#煤層皮帶巷及2105巷頂底板；白洞煤業有限責任公司的巖樣本取自該礦C3#煤層頂底板；、王村煤業有限責任公司的巖樣取自王村礦5132 大巷不同位置的頂底板；同發東周窯煤業公司巖樣本取自10#煤層頂底板；同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司巖樣采自麻家梁煤礦4#煤層頂底板；同煤大唐塔山煤礦巖樣取自塔山礦盤道3#-5#煤層頂底板。

對各礦取出的巖芯，首先進行RQD 指標統計，同時對不連續面間距、條件進行描述性統計（圖1）；隨后進行各層位巖石的單軸抗壓強度進行測試；分類時對“不連續面方向”指標按照“一般”情況處理，對“地下水條件”按照井下實地描述如“潮”、“微濕”、“干燥”等進行定性評定；在獲得分類要求的各指標的評價結果后，對照RMR 分類方案評分表進行巖體RMR 值計算，再根據得到的RMR值對照分類表給出巖體的分級等級。

3 分類結果

按照RMR分類方案，對大同煤礦集團公司所轄馬脊梁礦、燕子山礦、永定莊煤業有限責任公司、白洞煤業有限責任公司、王村煤業有限責任公司、同發東周窯煤業有限公司、同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司、同煤大唐塔山煤礦有限公司共8個礦進行石炭二疊紀煤層開采所涉及的主要巖層進行巖體工程分類的結果如表1所示。

總體上看，前述8個礦的相關巖體，分類結果分屬于Ⅲ級（一般巖石）、Ⅵ級（差巖石）巖體。RMR分類方案所揭示的巖體穩定性規律表明，在Ⅲ級巖體中開挖跨度5 m的巷道，自穩時間可達1周；在Ⅵ級巖體中開挖跨度2.5 m的巷道，自穩時間為10小時。

表1 同煤石炭二疊紀煤層巖體工程分類結果表

4 支護建議

以白洞礦的Ⅳ級、差巖石為例，該等級石炭二疊紀煤層巷道頂板支護建議方案如下：

(1)巷道斷面的寬度為5 m

采用樹脂錨桿支護，選取錨桿的長度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G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強度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，選取錨桿的長度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G為60，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強度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

采用樹脂錨桿支護時，選取錨桿的長度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G為60，錨桿的直徑φ為19 mm，錨桿的強度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時的兩巷交匯處

采用樹脂錨桿支護時，選取錨桿的長度L 為2.4 m，樹脂的長度為1.4 m，錨桿的排間距S 為1.5×1.5 m，錨桿的鋼材等級G為60，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強度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，由于兩幫及底板圍巖也是Ⅳ級，屬于差的圍巖，巷道支護時注意加強兩幫及底板的穩定性也是很有必要的，尤其是在動壓影響明顯的時候，可能會需要考慮對底板巖石進行加固。

對于頂板巖石屬于“一般”級別的巷道，不同斷面寬度的巷道頂板支護建議采取如下方案：

（1）當煤層巷道斷面寬度為5.0 m時，

采用樹脂錨桿支護，選取錨桿的長度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G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強度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）當煤層巷道斷面寬度為6.0 m時，

采用樹脂錨桿支護時，選取錨桿的長度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G為60，錨桿的直徑φ25.4 mm，錨桿的強度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

采用樹脂錨桿支護時，選取錨桿的長度L 為1.0 m，樹脂的長度為2.1 m，錨桿的排間距S 為1.5×1.5 m，錨桿的鋼材等級G為40，錨桿的直徑φ為25.4 mm，錨桿的強度C為15.8T，支柱的直徑φP為178 mm。

5 結論

（1）工程巖體的RMR分類方法是一種國際通用的方案，是巷道圍巖穩定性控制技術實現國際化交流的基礎。

（2）基于RMR巖體工程分類方案建立的各級別巖體的支護方案對煤礦巷道支護有重要的指導意義。

（3）同煤礦區石炭二疊紀巖體工程分類結果在同煤集團所轄煤礦的井下巷道支護工作中正發揮著積極作用。