基于岩体强度理论的巷道围岩稳定性分级*

牛少卿 杨双锁，2 李 义

(1.太原理工大学矿业工程学院;2.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室)

为了应对采矿等各种地下工程的建设，学者们早在18世纪时就开始研究关于岩体稳定性分级的方法。经过长时间的发展，目前岩体分级方法主要有普氏分类法、太沙基分类法、RMR系统分类法、Q系统分类法、QRD分类法以及后来学者利用模糊数学等方法建立的岩体分类标准。其中有以单因素作分类指标，也有以多因素按权值共同作用的分类指标［1-4］。这些分类方法在地下工程的应用中起到了许多关键作用，然而岩体稳定性分类方法在评价具体工程时并不具有准确的通用性，对于特定的工程建立特定的岩体稳定性分级的方法与标准就极为重要。

阳煤集团五矿后备区建井时存在埋深大、巷道断面大的特征，且地质构造发育。为了能合理确定后备区井底车场不同地段围岩的稳定性级别及巷道支护基本措施，本研究通过理论推演、现场实测、实验室测定等方法给出巷道围岩稳定性判别指标及级别，并应用于阳煤集团五矿后备区。

1 岩体稳定性分级指标的选择

影响岩体稳定性的因数有岩体的物理力学参数、地下空间尺寸和形状、地质构造、地应力、地下施工方式、地下水等，在特定的工程中，每种因素的影响轻重并不相同，针对该矿后备区井底车场特征，分析认为影响围岩稳定性的因素主要为巷道断面、应力特征及岩体力学参数。

地下岩体在未进行施工以前大多处于三向应力状态，当巷道开采后，由于二次应力场的作用，巷道围岩体一般处于二维应力状态，以巷道为圆形断面分析主应力的方向，3个主应力方向分别为巷道的径向、切向和走向，3个主应力的大小分别为切向大于走向大于径向，这样就可以得到σ1=σθ，σ2=σz，σ3=σr=0［5-7］。3个主应力的数值可以借助于数值计算或者地应力测试得到。这样就得到了巷道围岩应力状态。

多年来学者们给出的许多关于岩体强度理论的有益成果表明岩体的承载能力不能通过简单的抗压强度或者抗压强度来表示，岩体的破坏基本分为剪切破坏和拉伸破坏2种。其中Mohr－Columb强度准则在描述岩体剪切破坏方面得到了大范围的认可，而Griffith强度准则在描述岩体拉伸破坏方面也得到了众多科学家的检验［6-9］。为此，判定围岩破坏应从剪切和拉伸两方面考虑，且可以采用Mohr－Columb强度准则和Griffith强度准则合理结合的方法。

Mohr－Columb强度准则写成主应力的表达式为

其中有单轴抗压强度

式中，c为岩体内聚力，φ为岩体内摩擦角，而对于特定岩体来说σc是岩体的特性参数，其值为常数。

定义表达式

经过多次测试运行，统计出平均识别率，得到在不同像素分类情况下PNN的识别率。见表1。除此之外，在以上结论的前提下（10像素组拥有最佳的识别效果）与PNN神经网络相似的BP神经网络以及LVQ神经网络也使用相同的特征矩阵进行了识别工作，与其进行了横向对比。为了对比的公平，BP神经网络和LVQ神经网络将采用相同的10像素组特征矩阵进行训练和分类。

式(3)分母反应巷道围岩的应力状态，分子则反映了岩体的强度特征，故当W1大于1时岩体发生剪切破坏。据此可知，物理量W1可以反映围岩破坏区域的倾向性，为此可以利用W1作为岩体稳定性指标。

对于sinφ，可以利用得到的岩体抗拉强度σt和抗压强度σc依据下式求解:

Griffith强度利用主应力可以表示为

对于特定岩体来说σt是岩体的特性参数，其值为常数，定义表达式

同样，式(6)分母反应巷道围岩的应力状态，分子则反映了岩体的强度特征，W2大于1时岩体发生拉伸破坏，为此可以利用W2作为岩体稳定性指标。

W1为评价围岩体剪切破坏的危险程度的指标，W2为评价围岩体拉伸破坏的危险程度的指标。为了能综合评价围岩体破坏危险程度，考虑到了巷道围岩稳定性的叠加效应，在建立巷道围岩稳定性综合指标时，利用指标W1和W2的乘积作为依据，期间考虑到由于岩体力学参数测试中部分数据无法获得，如果只有单一指标，那么单一指标将作为综合指标值，围岩体稳定性综合指标

至此，已得到一个可以反应巷道围岩稳定性的综合指标W。

2 巷道围岩稳定性分级的基本原则

前面获得了巷道围岩稳定性的评价指标，能清楚地认识巷道围岩稳定性指标W在不同情况下围岩的稳定性状况及所需采取的基本支护方式。

巷道围岩稳定性分级的目的是明确巷道围岩的危险级别以及给出基本的支护体系，以这个目的为基本点建立巷道稳定性分级原则时，需要给出岩体强度特征与应力场特征之间的大小关系。为此，本研究以巷道围岩稳定性指标W为依据建立围岩稳定性的分级标准，并针对各类别的围岩制定相应的支护方案。围岩分类的基本原则:①以巷道围岩稳定性指标W作为围岩分类的唯一依据;②巷道围岩分为6个类别;③对各个类别的围岩制定相应的支护方案。

表1为巷道围岩稳定性分级方案。

获得巷道围岩稳定性指标和分级标准后，在工程实践中就可以根据岩体的特性以及应力场特征对巷道围岩进行计算和分级，并据此判断巷道的潜在稳定性特征。

表1 巷道围岩稳定性分级

3 五矿后备区巷道围岩稳定性分级

为揭示五矿后备区井底车场巷道的稳定性程度，通过现场取芯并运回实验室测定，根据取样位置及岩性特征，试样分为14组，其主要类别为角砾岩、含有泥质夹层的砂岩、石灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、砂纸泥岩、泥岩、中粒砂岩、铝土质泥岩。利用岩块－岩体参数转化方法(其中考虑岩石类型、巷道埋深、构造发育情况、爆破掘巷等因素)获得岩体的力学参数。

图1为由单轴抗压强度、GSI、成岩形式和扰动系数确定岩体力学参数图。

图1 岩体力学示意

图2为岩体压拉比柱状图。从图2中可以看出压拉比各不相同，压拉比大致在6～10范围，平均值为8，且基本呈正态分布特征，因此可以认为所研究岩体整体特征上基本符合Griffith强度理论8倍的特性，亦即Griffith强度准则在此有很好的适用性。

图2 岩样压拉比柱状图

根据直墙半圆拱断面特性，取开挖后巷道应力集中系数为3，根据前面所给理论计算可得稳定性系数，巷道围岩稳定性分级结果见表2、图3～图5所示。

表2 五矿后备区不同岩性巷道围岩稳定性分类

图3 各组试件稳定性指标对比

图4 各组试件围岩稳定性级别

图5 围岩稳定性级别所占百分比

图3为所取各组试件各稳定性指标大小对比柱状图。据图可知，在评价巷道围岩稳定性级别方面，指标W1和W2危险级别比较均衡，其在评价巷道围岩稳定性中占有相同的地位。

图5给出了阳煤集团五矿后备区井底车场附近围岩稳定性分级百分比图。根据分级结果可以看出，在现场所取的岩样中，没有类别属于1级的，处于2级的占7.1%，处于3级的占35.7%，处于4级的占28.6%，处于5级的占21.4%，处于6级的占7.1%，因此巷道掘进施工支护是应以紧跟工作面挂网、打设锚杆、离工作面10 m喷射混凝土为主，部分岩性差的区域安装“U”型钢支架。

4 结论

(1)压剪破坏与拉伸破坏是巷道围岩破坏的2种基本形式，利用Mohr－Columb、Griffith相结合的强度准则可以判别巷道围岩破坏。

(2)巷道围岩应力状态和强度特征是影响巷道稳定性的主要因素，其相对大小关系可以合理描述巷道围岩稳定性程度。

(3)巷道的支护形式与分级水平密不可分，本研究给出了巷道围岩稳定性分级指标、分级标准及参考支护类型。

(4)通过对五矿井底车场巷道围岩稳定性分级，给出了不同岩性条件下巷道支护的基本形式。

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