巖體質量分級預測與支護方式研究

詹梅芬，廖美紅，賈名濤，秦 波，章雄飛，李成軍，徐建飛

（浙江金安設計研究有限公司，浙江遂昌323300）

礦山安全生產是一項復雜、龐大的系統工程[1-2]。在礦山設計及開采的各個階段，正確地對礦區巷道圍巖進行質量分級，進而對其穩定性做出準確評價，是保障礦山安全生產的最關鍵、最基礎的工作之一[3-5]。通過對礦山深部礦段部分巖樣進行巖體質量等級預測，并借助數值模擬方法，研究巷道賦存在不同等級巖體狀態下的宏觀力學行為及支護效果，對保障礦山持續安全高效生產具有重大意義[6-8]。

1 工程背景介紹

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

2 指標篩選及分級模型優選

2.1 指標篩選

取樣調查得到的樣本特征較多，且部分指標之間存在著不同程度的相關性，如果將所有變量全部引入巖土工程質量分級中，將是不合適的[9]。

利用R語言軟件，采用R型聚類分析方法，并結合專家學者以往經驗，將巖體質量分級影響指標最終被分為3 類。最后通過因子分析篩選得到5 個影響指標作為后續巖體質量分級預測模型研究的變量，見表1。

從影響巖體質量分級的10 個指標中，最終挑選得到巖石飽和單軸抗壓強度（Rc）、巖體完整性系數（Kv）、節理間距（JointDis）、巖石質量指標（RQD）、圍巖強度應力比（Ratio）5個影響指標作為后續分級預測模型研究的變量。體重（Weight）指標暫不考慮主要是由于容重的區間范圍在2.35～2.67g/cm3，且該指標的變異系數僅為0.034，在所有影響指標中最小。

表1 影響指標分類匯總表

2.2 預測模型優選

通過設置隨機種子，將40 個樣本隨機切分成5 個相等的子集。原始數據通過隨機抽取后的樣本排序見表2。

以R為編程語言，在RStudio開發環境中通過支持向量機模型參數尋優以及對比線性判別分析與隨機森林模型，最終得到各類模型誤判樣本數量見表3。

表2 巖體質量分級標準化數據樣本

表3 類模型誤判樣本數量統計

從4類模型4次試驗誤判率樣本數量可知：隨機森林模型的表現并不是在每次試驗中都處于最優。在第2 次試驗中隨機森林模型的預測效果與線性判別分析模型、SVM（線性核函數）模型一致；但在第4次試驗中隨機森林模型的預測效果就不如線性判別分析模型、SVM（線性核函數、徑向基核函數）模型。這也說明：僅靠一次隨機試驗結果確定最優模型，偶然性較大，其結果并不具有代表性。而通過多次隨機試驗，將評估參數的均值作為最優模型的判別標準更加合理。

通過對比各類模型的預測結果，確定最優預測模型為隨機森林模型。

3 支護方式研究

3.1 數值模型及力學參數選取

為保障后期工程的安全，基于巖體質量分級及不同等級巖體支護方式，建立運輸巷道在不同巖體中的工程地質力學模型，研究巷道賦存在不同等級巖體狀態下，宏觀力學行為及支護效果。

工程地質力學模型的尺寸長×寬×高為36m×30m×34m，模型共劃分為 144600 個單元，153078 個節點，模型底部邊界為垂直方向約束，4 個側面為水平方向約束，上部邊界為自由邊界，應力邊界條件按照實測應力進行施加。屈服準則采用Mohr—Coulomb 模型，建立的工程地質力學模型如圖1所示。

圖1 巷道工程地質力學模型及支護形式展示

通過參考礦區礦巖力學參數，綜合考慮前坪仔礦區巖體質量評價結果，得到其巖體物理力學參數推薦值見表4。

表4 工程巖體力學參數綜合取值表

3.2 巷道圍巖破壞分析

對比圖2～圖4中（a）圖可知：破壞模式均以剪切破壞為主。在未支護工況下，主要破壞位置在頂底板。巷道在Ⅳ級巖體中，巷道周圍均出現破壞，邊幫位置出現剪切破壞。隨著巖體完整性的提高，巷道周圍塑性區范圍逐漸減小。

分析圖2～圖4 中圖（b）可知：Ⅳ級巖體較破碎，支護后頂板塑性區明顯減少，邊幫塑性區也同樣減少。底板位置塑性區變化大不，由于支護沒有覆蓋至底板位置。在Ⅲ級圍巖中，底板塑性區范圍較小。

4 結論

（1）基于K折交叉驗證方法，通過支持向量機模型參數尋優和對比線性判別分析模型與隨機森林模型，開展了巖體質量分級預測模型的優選研究。研究表明：基于隨機森林的巖體質量等級預測模型誤判率最低，性能最好，4次隨機試驗整體誤判率僅為7.5%。

（2）借助數值模擬方法，研究了巷道賦存在不同等級巖體狀態下，宏觀力學行為及支護效果。結果表明：Ⅳ級巖體為破碎巖體，采用錨網噴支護方案以后，頂板變形與塑性區大大降低，但需要關注底鼓現象。Ⅲ級巖體與Ⅱ級巖體完整性較好一些，巷道掘進過程中受到擾動較少，采用錨噴與素噴支護形式以后，都使塑性區范圍減少，圍巖頂板位移降低，應力集中現象減弱。對前坪仔礦區安全生產具有一定的指導意義。

圖2 Ⅳ級圍巖巷道掘進與支護對比塑性區分布圖

圖3 Ⅲ級圍巖巷道掘進與支護對比塑性區分布圖

圖4 Ⅱ級圍巖巷道掘進與支護對比塑性區分布圖