基于Q系統的某銅礦巷道分級支護技術及工程應用

高忠 王明 唐紹輝 林凌旺 譚偉 巫雨田

摘要：合理的支護方式是控制巷道穩定和變形的重要手段之一，而工程巖體質量評價是確定合理支護方案的重要依據。針對某銅礦存在的支護方式單一、支護效率低、支護成本較高的問題，采用Q系統和RMR法對該礦山4個工程巖組進行了巖體質量分級。基于Q系統支護圖，并結合礦山支護工藝、施工條件等因素，制定和優化了分級支護方案及支護參數;利用RMR法的不支護巖體自穩時間，量化了合理的支護時間，從而指導現場支護施工。工程實踐結果表明：制定的分級支護方案效果好，不僅滿足了巷道安全要求，提高了施工效率，同時可降低支護費用200萬～300萬元/a。

關鍵詞：Q系統;巖體分級;分級支護;巷道穩定性;支護時間;安全高效

中圖分類號：TD353文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0032-05doi：10.11792/hj20210306

引言

在礦山地下開采中，巷道的穩定性是影響礦山建設及安全運營的重要因素，合理的支護方案是保證成功的關鍵，而工程巖體質量評價是確定合理支護設計方案的重要依據[1-2]。通過巖體質量分級結果，結合巷道類型、用途等因素制定合理的支護方案，滿足巷道安全要求，保障礦山生產平穩運行。

然而，在多數礦山實際應用中，不區分巷道類型均采用一種支護結構和參數，支護類型與參數也是參考類似礦山和工程實踐，未能隨著圍巖及巷道類型變化進行相應調整，單一的支護設計存在不足。此外，傳統的支護設計采用松動圈理論、懸吊法等方法[3-4]，未考慮圍巖性質、巷道類型、服務期限等，很難合理選擇支護參數。

Q系統和RMR法分類是當前應用較為廣泛的巖體分級系統之一，它們都是基于工程類比法提供不同圍巖質量等級下不同規格巷道相對應的支護類型和支護時間[5-6]。本文以某銅礦為例，依據Q系統和RMR法進行分級支護設計，并結合礦山支護工藝及施工技術條件等因素，優化分級支護類型和支護參數，在確保安全和施工高效的前提下，確定合理的分級支護方案和支護時間，從而正確指導設計和施工。

1工程概況

某銅礦主要地下開采100～-100m銅礦體，采用大直徑深孔階段空場充填采礦法。銅礦床裂隙發育程度較弱，礦體穩定性較好。礦體頂底板圍巖為中細粒花崗巖，局部為風化花崗巖。英安玢巖為局部侵入巖體，主要分布在礦體東翼，橫切礦體，該巖體裂隙較為發育、微風化、穩定性較差。

礦山巷道支護采用錨網噴聯合支護，一掘一支。采用長1.8m的管縫式錨桿，間排距1.0m×1.0m。現行支護標準較為單一，未按巷道服務期限、影響程度、斷面跨度及所通過的工程巖體質量制定分級支護方案。實踐過程中，部分服務年限較短、巖性較好的巷道存在過度支護的情況，導致施工效率下降、成本上升，因此有必要進一步優化支護方式和參數。

2Q系統及支護設計

2.1Q系統

1）Q系統。Q系統是Barton等人于1974年提出的巖體質量分類方法[7]，它主要考慮了巖體完整性、節理特性、地下水和地應力影響，將定性分析、定量評價相結合，是目前比較好的巖體分類方法，其分類指標值通過式（1）確定。基于Q值的巖體分級標準見表1。

式中：RQD為巖石質量指標;Jn為節理組數系數;Jr為節理粗糙度系數;Ja為節理蝕變度系數;Jw為節理滲水折減系數;kSRF為應力折減系數。

2）開挖支護比。除Q值外，安全要求和斷面規格對巷道支護設計也起到決定性作用。安全要求取決于巷道的用途，如礦山永久巷道比采準巷道或臨時巷道的安全要求更高;斷面規格指巷道的跨度和高度，通常來講，隨著巷道的跨度或高度增大，支護要求也將增加。為表達安全要求，引入了開挖支護比fESR。

2021年第3期/第42卷采礦工程采礦工程黃金

硐室最大無支護跨度（bSPAN）與Q值、開挖支護比（fESR）的關系如下[8]：

bSPAN=2Q 0.66=2fESRQ 0.4（2）

開挖支護比與巷道的用途、安全要求有關。根據Barton（1976）的建議，fESR的取值見表2。

結合礦山生產實際情況，本次支護設計開挖支護比取值原則：①開拓巷道，包括主運輸巷、回風巷、充填巷、通風巷等，作為礦山永久性工程，fESR取1.6;②采準巷道，包括大孔鑿巖巷及其聯巷、出礦巷道、裝礦進路等，根據巷道功能和服務時間，fESR取2.0。

2.2Q系統支護設計

基于Q系統支護對1050個公路隧洞和440個水電隧洞工程進行了系統研究，建立了不同圍巖質量等級相對應的支護類型[6，9]。根據Q值進行支護設計，指導巷道設計與施工，Q系統支護設計見圖1。

3分級支護

3.1工程地質調查

根據礦山實際情況，該銅礦礦體及周邊巖體可劃分為4個主要工程巖組：

1）中細粒花崗巖。中細粒花崗巖為礦體的主要圍巖，分布于礦體的上下盤。該巖組內節理、裂隙較發育，巖組大部分為剪節理;大多數節理閉合，充填物主要為硬質方解石。大多數節理面平直微粗糙、微風化，節理面基本為潮濕。結構面延伸長度一般為3～10m，節理間距10～35cm，平均體積節理密度（JV）為13.48條/m 3。該巖組有2組主要節理，產狀分別為33°∠45°，335°∠74°。巖石抗壓強度50.27MPa。

2）風化花崗巖。風化花崗巖為礦體局部圍巖，內節理、裂隙較發育，節理大部分為交錯節理且多為剪節理、部分為張節理，張開度小于5mm，并伴有黃色軟質充填物。大多數節理面為平直狀、粗糙、微風化，基本為較潮濕。結構面延伸長度一般為1～3m，節理間距5～20cm，平均體積節理密度為23.25條/m 3。巖石抗壓強度26.10MPa。

3）礦體。該巖組內節理、裂隙較發育，節理大部分為層理且多為剪節理，無張節理，大多數節理閉合，無充填物。大多數節理面為波浪狀起伏、很粗糙、微風化，部分節理面平直，節理面基本為較干燥。結構面延伸長度一般為1～3m，節理間距15～50cm，平均體積節理密度為15.51條/m 3。該巖組有2組主要節理，產狀分別為159°∠56°，285°∠81°。巖石抗壓強度為66.10MPa。

4）英安玢巖。英安玢巖主要為侵入巖體，多為剪節理、少張節理，多數節理張開度小于5mm，并伴有黃色硬質充填物。大多數節理面平直微平滑、微風化，部分節理面呈波伏狀，節理面基本為潮濕—較干燥。結構面延伸長度一般為3～10m，節理間距5～25cm，平均體積節理密度為20.01條/m 3。該巖組主要有3組節理，產狀分別為109°∠79°，136°∠38°，30°∠50°。巖石抗壓強度為29.03MPa。

3.2巖體質量評價

1）RQD值。由于礦山前期RQD相關統計資料缺失，本次Q系統中的RQD值依據Palmstrom給出的體積節理密度與體積RQD之間的相關關系[8]為：

RQD=115-3.3JV（3）

經計算，中細粒花崗巖RQD值為70.5%，風化花崗巖RQD值為38.3%，礦體RQD值為63.8%，英安玢巖RQD值為49.0%。

2）Q系統巖體質量評價。該礦山巷道主要通過4組工程巖組，根據式（1）計算得出該礦山各巖組的Q系統評分值，見表3。中細粒花崗巖和礦體為Ⅳ級巖體，屬于差等級;風化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級巖體，屬于很差等級。

3）RMR法巖體質量評價。RMR法是包含節理的狀態和產狀、RQD值、地下水等因素在內的巖體評分評價方法。依據RMR法巖體評分標準，結合前期工程地質調查結果，該銅礦主要巖體的RMR法評價結果見表4。

3.3.2支護設計優化

在Q系統巖體分級中沒有考慮巖石強度、井下采場長期爆破振動對圍巖Q值降低的影響，同時由于工程地質條件的多變性和實際工況的復雜性，在應用Q系統支護設計時，應結合巷道用途、分類等級、現場施工設備及條件等因素，對Q系統建議的支護設計進行必要的優化。

1）支護類型。風化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級巖體，支護類型為錨網噴，不需要優化。中細粒花崗巖、礦體為Ⅳ級巖體，受爆破震動、服務期限等因素影響，經過此類巖體的巷道支護類型需要進行優化。

永久巷道的錨桿支護優化為錨噴支護。主運輸巷、回風巷道等永久工程作為行人和運輸等咽喉通道，長期受采場開采擾動的次生應力場和爆破震動影響，巷道圍巖會變形、松動，采用錨噴支護，錨桿起到了對巖體的加固作用，混凝土噴層與圍巖緊密貼合，防止圍巖的松動和坍塌。

采準巷道的錨桿支護優化為錨網支護。采準巷道服務期限短，受采場爆破震動影響，巷道頂板浮石較多，若采用單一錨桿支護，每次作業前都要進行撬毛作業，影響作業效率，同時也存在潛在安全隱患。優化為錨網支護后，支護網可實現“網兜”作用，防止巖塊掉落。

2）支護參數。

（1）錨桿長度。本次Q系統支護建議中的錨桿長度有1.5m、1.6m、1.8m3種類型，綜合考慮錨桿臺車鉆桿長度、安全因數及現場作業施工方便性，錨桿長度統一選擇1.8m。

（2）錨桿間排距。原設計錨桿間排距為1.0m×1.0m，現場掘進采用鑿巖臺車，一次掘進3.0m;支護采用錨桿臺車，大網片鋼筋網規格為3.0m×2.4m。綜合考慮巷道進尺、網片搭接、現場支護作業等因素，錨桿間排距調整為1.2m×1.0m。

優化后的分級支護設計方案見表6。

3.4合理支護時間

1）RMR法不支護自穩時間。RMR法不支護自穩時間為巷道掘進后不支護情況下從初始穩定至發生坍塌的時間。合理評價圍巖的自穩時間，對支護施工有著非常重要的意義。

基于RMR法建立各個級別巖體與不同跨度條件下圍巖自穩時間的關系[10]（見圖2），使工程人員根據巖體的工程類別，預估巷道不支護而維持穩定的時間，以便合理地安排施工程序。

圖2圍巖不支護自穩時間

2）合理支護時間。根據表4中RMR法巖體評分值，結合巷道跨度，通過圖2可以預估不同跨度巷道不支護自穩時間，結果見表7。

為確保生產安全，本次巷道圍巖自穩能力取小值。綜合考慮RMR法不支護自穩時間、現場施工技術條件和以往施工經驗，推薦的合理支護時間見表8。

4工程實踐

4.1現場試驗

大孔采場底部結構出礦巷道為采準巷道，是采場本次選擇0m中段6 #大孔采場出礦巷道進行現場支護試驗，該段區域巖體為中細粒花崗巖和礦體，根據分級支護方案，采用錨網支護，兩掘一支。采用40mm的管縫式錨桿（1.8m），間排距為1.2m×1.0m;鋼筋網規格為3.0m×2.4m，采用3張大網片豎向敷設。經過3個月的現場觀察，巷道沒有出現大的變形，總體保持穩定（見圖3），說明分級支護方案可靠，滿足了現場安全和生產要求。

4.2支護成本

原支護采用錨網噴支護，支護綜合成本為2213.5元/m。優化后的分級支護中，Ⅴ級圍巖仍采用錨網噴支護方式，支護綜合成本不變。Ⅳ級圍巖永久類和采準巷道分別采用錨噴和錨網支護，支護綜合成本分別為1241.6元/m和862.8元/m，每米支護費用分別降低971.9元和1350.7元。

該銅礦每年巷道掘進約5000m，與原支護標準相比，制定的分級支護方案每年可降低支護費用200萬～300萬元;另外，由原有的一掘一支優化為兩掘一支或三掘一支，提高了巷道掘進和支護作業效率。

5結論

1）基于工程地質調查結果，依據Q系統對礦區主要巖體質量進行分級，分級結果為：中細粒花崗巖和礦體為Ⅳ級巖體，屬于差等級;風化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級巖體，屬于很差等級。

2）基于Q值與支護設計的關系，并結合巷道服務期限、影響程度、礦山支護工藝及施工技術條件等因素，制定和優化了分級支護方案。在Ⅳ級圍巖中，永久類和采準巷道分別采用錨噴支護和錨網支護;在Ⅴ級圍巖中，經過該類圍巖等級的巷道采用錨網噴支護。

3）根據RMR值和巷道跨度，預估了圍巖不支護自穩時間，并給出了支護時間建議，在中細粒花崗巖中采用兩掘一支，在礦體中采用三掘一支，在風化花崗巖和英安玢巖中采用一掘一支。

4）工程實踐結果表明：根據巖體質量分級結果進行相應的支護方案設計，不僅滿足了巷道安全和高效施工的要求，同時也實現了降低支護成本的目的。

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Abstract：Reasonablesupportisoneoftheimportantmeanstocontrolroadwaystabilityanddeformation，whileengineeringrockmassqualityevaluationisanimportantbasisfordeterminingreasonablesupportscheme.Inordertosolvetheproblemsofsimplexsupportmode，lowsupportefficiencyandhighsupportcostinacoppermine，QsystemandRMRmethodareusedtogradetherockmassqualityof4engineeringrockgroupsinthemine.BasedonthesupportdiagramofQsystem，andthefactorsofminesupporttechnologyandconstructionconditions，thegradingsupportschemeandsupportparametersareformulatedandoptimized，andthereasonablesupporttimeisquantifiedbyusingtheselfstabilizationtimeofunsupportedrockmassofRMRmethod，soastoguidetheonsitesupportconstruction.Theresultofengineeringpracticeshowsthatthegradedsupportschemeisgood，notonlymeetingthesafetyrequirementsofroadway，improvingtheconstructionefficiency，butalsoreducingthesupportcostby2million-3millionyuan/a.

Keywords：Qsystem;rockmassgrading;gradingsupport;roadwaystability;supporttime;safeandefficient