礦山巷道支護決策信息系統研究與開發

吳碧波，王忠杰

（中煤科工集團武漢設計研究有限公司，湖北 武漢 430000）

對礦山巷道而言，其圍巖的穩定性取決于圍巖質量分級，質量差的圍巖必須予以支護，才能保證穩定性，質量好的圍巖無需支護，依然可以保持穩定[1]。目前一部分礦山巷道支護多依據新奧法進行施工，在新奧法理論中，對圍巖質量的把握非常重要。規范中依據巷道圍巖的地質特性對圍巖進行分級，但是該分級系統對于特殊地質環境并不完全適用。特殊地質條件下的礦山巷道圍巖的分級方法需針對不同的工程實踐案例分別進行研究。

本文在基于湖北省某礦山巷道支護實測基礎上，針對該礦山巷道圍巖巖性表現出的滲透性，對礦山巷道圍巖分級系統進行研究，并利用程序設計語言C#開發了集成巷道預支護決策信息子系統和施工中支護決策信息子系統為一體的礦山巷道支護決策信息系統。

1 進行支護巷道的基本概況

1.1 礦山巷道支護位置地質條件

巷道圍巖為武當群片巖，屬于變質巖，主要礦物成分為石英、鈉長石、絹云母。鱗片變晶結構，片狀構造，多為薄層～極薄層狀，層厚一般為1cm～5cm，局部地段為中厚層狀，層厚10cm～20cm。從地質構造上看，該處屬于武當山推覆體構造，歷史了經歷多次的地質構造作用，沖逆斷層和褶皺強烈發育，且巖體里存在較大的地應力[2]。地表水不發育，無常年性流水，地下水主要類型是基巖裂隙水，賦存于片巖裂隙和破碎帶內，主要接受大氣降水的垂直入滲補給，儲存條件差。

1.2 礦山巷道圍巖變形及失穩現象分析

該巷道自開挖以來，多次發生圍巖的大變形和破壞失穩現象，分析其變形曲線發現變形具有變形量大，變形速度快的特點。初期支護剛度不足時則出現支護斷裂，混凝土剝落等現象。針對這種現象，采取三處具有代表性的巖樣進行了礦物成分分析實驗，測試結果如表1。

表1 地質礦物的組成成分及含量

礦物分析實驗表明：武當群片巖主要礦物成分為石英、長石，部分巖石含有綠泥石、伊利石、蒙脫石以及少量云母和白云石，相對含量在巷道區有一定變化。伊利石是粘土礦物，遇水軟化，巷道開挖后，巖體暴露空氣中，風化速度加劇，顯著降低了巖體的力學參數。設計人員在進行圍巖分級時未考慮到礦山巷道所處位置的地質情況，分級結果有時就會出現偏小的情況，則會設計出偏弱的支護結構強度，便會出現巷道圍巖的大變形甚至失穩現象。

2 礦山巷道圍巖的質量分級方法

圍巖基本質量指標修正值[BQ]可按下面的公式求出：

[BQ]—巖體修正質量指標；

K1—地下水影響修正系數；

K2—主要軟弱結構面產狀影響修正系數；

K3—初始地應力狀態影響修正系數。

K1、K2、K3的取值可按規范的附錄取值，因此可以算出修正后的圍巖基本質量指標，但是這種圍巖分級方法沒有考慮巷道支護區域的礦物成分對其開挖后時空效應的影響，并不完全適合巷道施工。

根據礦山巷道變形的破壞機理，巷道圍巖是武當群片巖，片巖的礦物成分中含有絹云母、綠泥石、伊利石和蒙脫石等吸水性礦物，這些微量的礦物成分使片巖帶有一定的吸水性，這對圍巖的質量和穩定性存在影響，在考慮圍巖分級時也是不可忽略的因素。因此，由于礦山巷道支護區域的特殊圍巖特征，巷道圍巖分級在原有圍巖分級考慮的因素之上必須考慮礦物特性。這里引入滲透系數K4。滲透系數K4的取值主要取決于巖石中含有絹云母和蒙脫石的含量，因為巖石的滲透性來自于絹云母和蒙脫石的吸水滲透作用。具體的取值來自于實驗室對礦物成分和含量的分析結合工程經驗獲取。滲透系數K4見表2。

表2 滲透系數取值表

鑒于軟弱夾層的發育和滲透性在沿線巷道中都是屬于比較輕微的。因此不能因為軟弱夾層存在使圍巖分級出現大面積跨級現象，而是只有在軟弱夾層對礦層穩定影響較大時圍巖級別降低，因此K4前面的常系數適合取為（K1+K2+K3）系數的一半。因此，圍巖基本質量指標修正值[BQ]可按下式求得：

那么，根據圍巖質量指標修正指標[BQ]，即可根據礦山巷道設計規范查出圍巖的質量級別，進而提出圍巖初期支護參數和二次襯砌參數的改進值。

3 礦山巷道支護決策信息系統設計

3.1 C#語言簡介

巷道圍巖支護決策信息系統主要針對巷道施工過程中使用高級程序設計語言C#開發的。C#繼承了C/C++的強大功能，同時綜合了VB的簡單可視化操作，看起來又同Java極為相似，如單一繼承、接口、語法和編譯過程等，它還借鑒了Delphi的一個優點，直接集成com（組件對象模型）[3]。礦山巷道支護決策信息系統是用C#開發的，系統集巷道預支護決策信息系統和巷道支護決策信息系統為一體，在使用中，較為方便。

3.2 支護決策信息系統開發原理

基于礦山巷道開挖前預支護設計方法，利用高級程序語言開發了礦山巷道支護決策信息系統，在程序開頭為巷道的基本信息如：巷道名稱、巷道形狀、巷道長度。在使用過程中，對圍巖質量進行分級，先輸入里程樁號，根據實驗室試驗數據，輸入礦石單軸飽和抗壓強度Rc和礦石完整性系數Kv，點擊預支護設計，即可輸出圍巖質量級別和初期支護信息。

在巷道開挖之后，施工區域的地質信息完全揭露出來，基于巷道開挖后支護設計方法，可得到圍巖的質量級別和支護信息[4]。開發的巷道支護決策信息系統和巷道圍巖預支護決策信息系統集成在一起。在使用中，先輸入礦山巷道的基本信息，然后把礦石單軸飽和抗壓強度Rc、礦石完整性系數Kv、地下水影響修正系數K1、主要結構面產狀影響修正系數K2、初始地應力狀態影響修正系數K3和滲透系數K4的數值輸入，點擊支護設計，即可輸出實際的圍巖級別和相對應的支護信息。在下一次使用前，點擊清屏即可刪除所有信息，重新計算下一次支護設計。

3.3 工程實踐驗證

該巷道設計長度根據地質資料和實驗數據，按原設計圍巖質量級別為Ⅲ級，屬于中級偏好。在圍巖爆破開挖后圍巖條件被揭露出來，通過掌子面觀測和附近圍巖地質調查發現，圍巖左壁濕潤，有少量地下水成線狀流出，在里程中端發育一軟弱夾層，傾角60°，走向與巷道軸線夾角在20°～30°之間，該里程圍巖質量偏低，不符合原設計資料[5]。結合實驗室數據、現場調查量測和工程實踐經驗對圍巖質量進行重新分級，如果不考慮地質礦物復雜特性的影響，利用巷道圍巖支護決策信息系統的分級結果和支護信息巷道圍巖級別為Ⅳ級。項目組最終把圍巖分級定為Ⅴ級，初期支護和二次襯砌也采用Ⅴ級的支護參數，對支護后的圍巖及時進行拱頂沉降和周邊收斂的監控，以備設計變更。從對巷道斷面的監測結果來看，最終位移在極限位移以內，圍巖變形最終達到穩定，無需進行二次支護設計。

4 結語

（1）針對礦山巷道支護進行信息化施工，對圍巖質量分級存在不確定性，結合圍巖表現出的特殊地質情況，提出新的圍巖質量分級標準，即把滲透系數K4引入圍巖基本質量指標BQ，并根據工程實際的試驗數據和工程經驗確定了K4的取值。

（2）基于礦山巷道設計規范的基本規定利用C#高級程序設計語言編寫了巷道預支護決策信息系統，基于新的圍巖質量分級系統編寫了礦山巷道施工支護決策信息系統。

（3）該方法通過引入滲透系數K4，在巷道設計規范確定的礦體修正質量指標[BQ]的基礎上進行折減，在考慮巷道圍巖滲透性的前提下確保了巷道支護設計的安全。在工程實踐中運用此決策信息系統，取得了比較滿意的效果，軟件的實用性得到了驗證。