基于地應(yīng)力的煤巷圍巖分級(jí)方法及其應(yīng)用

毋會(huì)兵

(山西晉煤澤州天安宏祥煤業(yè)有限公司，山西 澤州 048000)

巷道圍巖穩(wěn)定性受多種因素影響，既有定量因素又有定性因素，用現(xiàn)有的巖石力學(xué)理論很難確定各種影響因素與圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)載荷的相關(guān)系數(shù)，支護(hù)設(shè)計(jì)更依賴(lài)于圍巖穩(wěn)定性分級(jí)體系。因此，實(shí)際的圍巖穩(wěn)定性分級(jí)可以較好地評(píng)價(jià)巷道所處的圍巖條件和應(yīng)力狀態(tài)，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級(jí)指數(shù)

1.1 分級(jí)指數(shù)的確定

煤巷圍巖穩(wěn)定性受多種因素的影響，其中分級(jí)指數(shù)的選擇原則：分級(jí)指數(shù)必須是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)條件和采礦技術(shù)條件對(duì)指數(shù)的選取進(jìn)行定量描述。通過(guò)對(duì)山西某礦區(qū)煤巷基本情況的研究可知，影響圍巖穩(wěn)定性的因素有工程地質(zhì)因素和生產(chǎn)工藝因素兩大類(lèi)，這兩大類(lèi)因素都可以用比較容易獲得的指數(shù)來(lái)表示。因此，選擇3個(gè)類(lèi)別的8個(gè)指數(shù)進(jìn)行分析：

a) 頂板綜合強(qiáng)度(Rrz/MPa)、底板綜合強(qiáng)度(Rbz/MPa)、兩側(cè)綜合強(qiáng)度(Rsz/MPa).

b) 垂直地應(yīng)力(σh/MPa)、兩側(cè)水平地應(yīng)力(σv/MPa)、水平地應(yīng)力與巷道掘進(jìn)方向夾角(θ/(°)).

c) 直接頂充填系數(shù)(N)、基本頂初次來(lái)壓步距(C0/m).

1) 地應(yīng)力測(cè)量。

地應(yīng)力通過(guò)采用應(yīng)力解除的方法進(jìn)行測(cè)量，在該礦區(qū)井田內(nèi)選取9個(gè)地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析可以得到每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的水平地應(yīng)力和垂直地應(yīng)力，見(jiàn)表1.

表1 每一測(cè)量點(diǎn)的水平和垂直地應(yīng)力表

地應(yīng)力除了與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)外，還與埋深和覆巖容重有關(guān)。在確定附近的水平地應(yīng)力時(shí)，應(yīng)首先考慮“就近原則”，即地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)距離煤巷距離較近。如果測(cè)量點(diǎn)距離煤巷較遠(yuǎn)，則根據(jù)表2公式進(jìn)行計(jì)算。

表2 地應(yīng)力和埋深關(guān)系表

2) 圍巖綜合強(qiáng)度。

圍巖強(qiáng)度通常用巖體單軸抗壓強(qiáng)度來(lái)表示，由于巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理和裂隙，因此這種表示形式顯然是不科學(xué)合理的，有必要考慮巖體的綜合強(qiáng)度。當(dāng)對(duì)圍巖的綜合強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要確定巖樣的強(qiáng)度，然后再計(jì)算巖體的強(qiáng)度，最終根據(jù)各層巖體的強(qiáng)度計(jì)算圍巖綜合強(qiáng)度。以頂板綜合強(qiáng)度計(jì)算公式為例：

(1)

Krm=Rrm/Rrb

(2)

Krm=α·Jn+β·Bn+γ·Jc

(3)

式中：

Rrz—頂板的綜合強(qiáng)度，MPa；

Mri—頂板第i層巖層的厚度，m；

Rrmi—頂板第i層巖層的強(qiáng)度，MPa；

Rrm—頂板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

Rrb—頂板巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

Krm—頂板巖層的強(qiáng)度指數(shù)；

Jn—頂板巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度；

Bn—頂板巖層的節(jié)理裂隙層理發(fā)育程度；

Jc—頂板巖層的填充和膠結(jié)程度；

α、β和γ—對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

3) 開(kāi)采因素影響。

a) 直接頂充填系數(shù)(N).

直接頂充填系數(shù)反應(yīng)了采空區(qū)的充填程度，且充填系數(shù)越大，基本頂下沉量越小，礦山壓力顯現(xiàn)程度也越緩和，反之則礦山壓力顯現(xiàn)程度越劇烈。基于現(xiàn)有的研究結(jié)果，采空區(qū)已經(jīng)被充填的很密實(shí)，當(dāng)N>4時(shí)基本頂下沉量較小。

b) 基本頂初次來(lái)壓(C0/m).

基本頂初次來(lái)壓步距反應(yīng)了巖石的強(qiáng)度，且初次來(lái)壓步距越大，礦壓顯現(xiàn)越劇烈，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響也就越大，反之則越小。當(dāng)基本頂初次來(lái)壓步距分別<20 m、20～35 m、35～45 m和>60 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)程度分別為緩和的、明顯的、強(qiáng)烈的和極其劇烈的。

1.2 確定分級(jí)指數(shù)的權(quán)重

基于該礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，采用層次分析法確定影響巷道圍巖穩(wěn)定性的分級(jí)指數(shù)的權(quán)重。需要確定8個(gè)分級(jí)指數(shù)權(quán)重，并建立判斷矩陣，然后計(jì)算分級(jí)指數(shù)權(quán)重，見(jiàn)表3，4.

表3 圍巖關(guān)鍵指數(shù)權(quán)重的判斷矩陣表

表4 圍巖關(guān)鍵指數(shù)權(quán)重表

2 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級(jí)

2.1 分級(jí)方法

模糊聚類(lèi)分析方法是模糊聚類(lèi)分析理論與方法的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)建立模糊相似關(guān)系，使處理巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)問(wèn)題更為客觀、靈活。采用模糊聚類(lèi)分析方法，該礦區(qū)煤巷圍巖將會(huì)被劃分為不同的級(jí)別。模糊聚類(lèi)分析方法在理論上可分為3類(lèi)：模糊等價(jià)關(guān)系的傳遞閉包法、圖論的聚類(lèi)分析方法和ISODATA方法，在綜合考慮上述方法的特點(diǎn)和適用性的基礎(chǔ)上，選擇了基于模糊等價(jià)關(guān)系的傳遞閉包法。在該礦區(qū)煤巷圍巖穩(wěn)定性分級(jí)中，模糊聚類(lèi)分析方法的應(yīng)用大致可以分為5個(gè)步驟，分別為：樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理、模糊相似矩陣的建立、動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析、圍巖分級(jí)數(shù)的確定及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。具體分級(jí)方法流程情況見(jiàn)圖1.

圖1 分級(jí)方法流程圖

2.2 樣本數(shù)據(jù)的采集和處理

樣本數(shù)據(jù)來(lái)自4個(gè)煤礦的30條巷道，分別為A煤礦7條巷道(1#～7#)、B煤礦8條巷道(8#～15#)、C煤礦8條巷道(16#～23#)和D煤礦7條巷道(24#～30#). 根據(jù)這30條巷道的工程地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件以及上述分級(jí)指數(shù)值的設(shè)置方法，結(jié)合地應(yīng)力和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，得到原始數(shù)據(jù)的分級(jí)指數(shù)，見(jiàn)表5.

根據(jù)模糊聚類(lèi)分析的基本原理，為了準(zhǔn)確有效地使用該方法，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)合巷道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)指數(shù)和典型煤層巷道采樣數(shù)據(jù)的具體情況，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理兩步預(yù)處理。

通過(guò)數(shù)據(jù)歸一化處理，將樣本數(shù)據(jù)壓縮到一個(gè)封閉區(qū)間[0,1]，然后對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，即將各指數(shù)的歸一化數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的權(quán)重。利用相關(guān)系數(shù)法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到需要分級(jí)的樣本巷道的模糊相似矩陣R，由于矩陣數(shù)據(jù)龐大，不給出矩陣R的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

模糊相似矩陣R是自反的，對(duì)稱(chēng)的，但不可轉(zhuǎn)移的，因此它不是模糊等價(jià)關(guān)系，為此，R將轉(zhuǎn)化為模糊等價(jià)矩陣R*. 在得到模糊等價(jià)矩陣R*的基礎(chǔ)上，用不同的閾值λ截取，可以獲得不同的分級(jí)。

2.3 確定最優(yōu)分級(jí)數(shù)

由于選擇的閾值不同，分級(jí)結(jié)果也不一樣，為此，根據(jù)F-統(tǒng)計(jì)量選擇最佳分級(jí)結(jié)果，可以計(jì)算出F-統(tǒng)計(jì)量使用方程式:

(4)

表5 分級(jí)指數(shù)的原始數(shù)據(jù)表

式中：

r—分級(jí)總數(shù)；

n—巷道樣本總數(shù)。

當(dāng)r從2變?yōu)?2時(shí)，F(xiàn)和F0.05的各自值見(jiàn)表6.

表6 煤巷最優(yōu)分級(jí)數(shù)的選擇表

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方差分析理論，如果F>F0.05，則表明各分級(jí)間差異顯著，分級(jí)結(jié)果合理。從表6中可以看出，當(dāng)λ=0.82時(shí)，所有分級(jí)的F-F0.05值最高，所以此時(shí)聚類(lèi)結(jié)果是最優(yōu)的，這表明樣本煤巷被分為4級(jí)是最合適的。

3 圍巖穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果與評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)這些模糊聚類(lèi)分析和經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的綜合分析，將該礦區(qū)煤巷圍巖穩(wěn)定性劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為：非常穩(wěn)定(I級(jí))、比較穩(wěn)定(II級(jí))、中等穩(wěn)定(III級(jí))和不穩(wěn)定(IV級(jí))，確定了各分級(jí)指數(shù)的取值范圍，見(jiàn)表7.

表7 煤巷圍巖穩(wěn)定性分級(jí)表

4 基于圍巖穩(wěn)定性的巷道支護(hù)優(yōu)化

為了提高巷道支護(hù)質(zhì)量，降低成本，選擇按照圍巖穩(wěn)定性的典型巷道穩(wěn)定性分級(jí)方法，通過(guò)對(duì)地質(zhì)和采礦技術(shù)條件進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合分析不同數(shù)值模擬方案下巷道圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律和圍巖移近量情況，確定了各類(lèi)巷道的合理支護(hù)方法和參數(shù)。

將數(shù)值模擬的研究成果應(yīng)用于巷道的各個(gè)分級(jí)中，見(jiàn)表8.

表8 煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)表

在山西某礦區(qū)內(nèi)的多條巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，工程實(shí)踐結(jié)果表明，采用圍巖穩(wěn)定性分級(jí)方法確定的基本支護(hù)方法和參數(shù)，不僅能夠保證煤巷的安全性，同時(shí)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

1) 在分析煤巷圍巖穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，基于圍巖綜合強(qiáng)度3大類(lèi)8項(xiàng)指數(shù)提出了圍巖穩(wěn)定性的分級(jí)方法。

2) 采用應(yīng)力解除的方法確定了山西某礦區(qū)的地應(yīng)力，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、巖石力學(xué)試驗(yàn)和礦山壓力觀測(cè)等手段對(duì)多條巷道圍巖綜合強(qiáng)度及開(kāi)采因素進(jìn)行了分析，為巷道圍巖分級(jí)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3) 基于模糊聚類(lèi)的方法，并采用數(shù)值模擬的方法，將該礦區(qū)內(nèi)的煤巷圍巖穩(wěn)定性劃分為4級(jí)，確定了各類(lèi)巷道分級(jí)指數(shù)的取值范圍，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。