一种基于块体化程度理论的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级方法研究

陈庆发，韦才寿，牛文静，陈德炎，冯春辉，范秋雁

（广西大学 资源与冶金学院，南宁 530004）

1 引 言

我国矿山约70%为地下开采，顶板稳定性分级一直是矿山安全管理的重要内容。在金属矿山领域，许多学者对顶板稳定分级进行了积极探索，如：胡平安[1]采用定性与定量分析相结合的方法对顶板稳定性分级进行研究；王红汉等[2]提出了顶板稳定性分级指标和分级方法；王永清[3]依据围岩结构类型将矿山顶板安全管理分为3 级；孟中华等[4]提出了实施顶板动态分级管理方法；王宁等[5]提出了声发射神经网络顶板安全分级新方法。

上述研究中，岩体完整性程度均作为顶板稳定性分级的一个重要指标，在评价该因素对顶板围岩稳定性影响时，以节理间距、岩体质量指标RQD[6-7]值等进行量衡，但量衡方法均是从一维角度对岩体结构进行描述，难以准确反映岩体三维空间上受结构面的切割情况，对岩体完整性程度描述不够真实客观，且靠钻孔的办法来获取RQD 要耗费大量的资金和时间。

为能够更加客观真实描述岩体的完整性程度，克服传统描述方法中存在的不足。引入裂隙岩体块体化程度分级理论[8]，开展了基于该理论的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级研究，从而创新形成了一种特别适用于裂隙岩体工程顶板稳定性分级的BT 分级方法，并将其应用于广西华锡集团铜坑矿92号矿体裂隙巷道顶板稳定性分级评价中。

2 BT 分级方法理论基础

2.1 裂隙岩体块体化程度理论

(1)块体百分比

岩体块体化程度的指标：块体百分比K，其定义为岩体中被结构面切割圈闭形成有限块体的体积和与岩体总体积的比值，范围为0～100%[8]，其表达式为

式中：vi为各有限块体的体积；n为块体个数；V为人为划定或岩体模拟中的岩体总体积。

(2)块体体积曲线

块体体积曲线是将土力学中用来分析土的粒径级配分布的级配曲线引入岩体研究领域中而提出的概念。它比块体百分比反映信息多，除了能够描述岩体的完整性程度以外，还能够反映出岩体被裂隙切割形成块体的规模，即在岩体内形成的块体体积大小、数目以及各个块体体积差距大小等。在块体体积曲线中横坐标对应块体的体积大小，纵坐标表示小于某体积的块体的累积百分含量。纵坐标为10%、30%、60%所对应的块体体积大小d10、d30、d60分别为有效体积、中值体积、限定体积。

通过曲线形状可以判断岩体中块体不均匀程度：曲线越陡表示岩体中块体体积越均匀；反之，则表示岩体中块体体积越不均匀。

2.2 块体化程度分类标准

文献[8]给出了块体化分类，如表1 所示。该分类标准与以往经常用岩体内部不连续面的信息来划分顶板岩体类型相比更准确直接，这对裂隙岩体自然块度描述更加全面，能够更客观地刻划岩体完整性。

表1 裂隙岩体块体化程度分类表Table 1 Blockiness classification of fractured rock mass

2.3 块体化程度解算流程

根据裂隙岩体块体化程度理论，构建出裂隙岩体巷道顶板块体化程度解算流程，如图1 所示。

（1）巷道顶板结构面调查

采用精测网法对巷道顶板结构面进行调查[9]，图2为精测网法示意图，图中A(xa,ya)，B(xb,yb)为一条裂隙迹线的两个端点的坐标。

（2）结构面数据初步整理

建立裂隙岩体数学模型需对岩体中各确定结构面几何参数进行数学描述，包括结构面的空间位置、方向、形状、大小等。运用Dips 软件对结构面调查数据进行分组后，用Excel 软件对各分组数据进行统计计算，确定各组结构面的具体参数，掌握结构面分布规律。

（3）表征单元体尺寸确定

某一参数达到基本稳定时，岩体范围临界尺寸称为该参数的表征单元体(REV)[10-11]。块体百分比的表征单元体是指块体百分比达到基本稳定时岩体的临界尺[12]。从统计角度来看，岩体范围太小，结果随机性大，统计规律失真；但太大的岩体范围又受到计算机能力限制。从块体化程度角度，大多数裂隙岩体的REV 大小在4 倍与12 倍裂隙间距之间，不超过12倍间距[13]。

（4）裂隙岩体数学模型的建立

基于一般块体理论开发的GeneralBlock 软件[14]是目前惟一能在有限延展裂隙条件下识别出所有块体的软件，将实际调查的结构面相关参数及选定的表征单元体尺寸输入到软件中，建立裂隙岩体数学模型，识别出所有块体，计算出各块体体积。利用Excel软件对体积数据进行处理并绘图，分析可得块体百分比与体积曲线，对照表1 得出岩体块体化程度类型。

图1 裂隙岩体巷道顶板块体化程度解算流程Fig.1 Blockiness solving process of roadway roof in fractured rock mass

图2 精测网法Fig.2 Precise and accurate network method

3 BT 分级方法

BT 分级方法是以裂隙岩体块体化程度理论为基础，是以岩体块体化程度、岩石抗压强度、节理条件、地下水条件为重要指标的一种特别适用于裂隙岩体稳定性分级的评价体系。该方法以工程现场调查数据为依据，按照一定的评分准则对各指标进行取值，综合计算出所研究对象的总分值，对照相关标准进行巷道顶板稳定性评价。

3.1 工程现场调查

实地踏勘裂隙岩体巷道工程现场，掌握裂隙岩体巷道稳定状况，开展工程地质调查，收集相关结构面数据资料。

3.2 BT 分级指标确定

目前，在矿岩体稳定性分级的各种方法中，多以岩体质量指标RQD 值、岩石单轴抗压强度、节理间距、节理特征和地下水作为稳定性分级的主要指标。

基于块体化程度在三维上描述顶板围岩结构面的优势，BT 分级法采用块体化程度指标代替表征岩体的完整性的岩体质量RQD 值和节理间距两项子指标，从而形成以岩体块体化程度、岩石单轴抗压强度、节理条件和地下水条件等代表性分级指标。

3.3 BT 分级方法各指标评分值计算

（1）分级指标权重确定

为合理反映各项指标（影响因素）影响程度，利用层次分析法（AHP 法）确定裂隙岩体巷道顶板稳定性分级指标权重分配。

首先，构建裂隙岩体巷道顶板稳定性分级指标的层次分析模型，如图3 所示，A 代表目标层，BiB代表指标层。

图3 裂隙岩体巷道顶板稳定性主要影响因素层次分析模型Fig.3 Main factors hierarchical analysis model affecting the roadway roof stability in fractured rock mass

然后，参照岩体地质力学（RMR）分类方法中各指标的最高评分值的大小，对各指标重要程度进行两两比较，构建判断矩阵，其中岩体块体化程度的重要性依据岩体质量指标RQD 值和节理间距两个指标的最高评分值之和进行评价。按照层次分析法计算步骤计算出各项指标权值。

最后，根据判断矩阵计算出各因素权值w，求出最大特征值 λmax=4，一致性指标CI=0，进行一致性和随机检验，随机一致性比率0 ≤0.1，计算结果具有满意的一致性。最终，可得到各影响因素指标的权重分配，各因素对目标的权重向量W=(W1,W2,W3,W4)=(0.4,0.15,0.3,0.15)，如表2 所示。

表2 BT 分级法各指标权重分配表Table 2 Weight distributions of the BT classification method

（2）各项指标取值原则

根据已确定的分级指标，对各指标进行等级划分。依据各等级的优劣程度确定评分值（采用百分制），对巷道稳定越有利评分值越高，最有利的取100分，最不利的等级取0 分。

岩体块体化程度和单轴抗压强度两项指标的易定量化表示，为使取值尽可能精确，先对各参数进行区间划分，再确定各参数区间相应取值范围。节理面条件和地下水条件两项指标不易采用定量表示的指标，则需定性划分后再进行定量化。表3为裂隙岩体巷道稳定性分级各指标取值表。

（3）各指标分值确定

根据具体工程各项指标的情况，对照取值标准表直接进行评分取值，当同一指标存在多种情况时，该指标的分值还需要按照各种情况出现的比例加权平均计算后确定。各指标分值向量U=(u1,u2,u3,u4)，ui为第i 项因素评分值。其中岩体块体化程度的分值u1按式（2）计算：

式中：K 依据式（1）分析计算所得。

（4）总评分值计算

BT 分级法总评分值计算公式如下：

式中：F为BT 分级法总评分值；U为各指标的分值向量；W为各因素对目标的权重向量。

3.4 BT 分级法评价标准

参照传统分级方法的标准，整合我国部分矿山在顶板稳定性的分级的研究成果，将裂隙岩体巷道顶板的稳定性划分4个等级，即为极稳定（Ⅰ级）、中等稳定（Ⅱ级）、不稳定（Ⅲ级）和极不稳定（Ⅳ级）4个级别，稳定级别的综合评分值采用等区间划分。

表4为推荐采用的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级标准表，具体应用根据工程具体情况适当修正。

表3 BT 分级法各指标取值表Table 3 Index values of the BT classification method

表4 BT 分级法评价标准表Table 4 Evaluation standards of the BT classification method

4 工程应用

4.1 工程概况

铜坑矿是广西华锡集团股份有限公司下属的二级单位，属国有大型矿山企业，年生产能力为220×104t。铜坑矿有上中下3个大型矿体，依次分别为细脉带矿体、91号富矿体和92号巨型贫矿体。前矿体开采已经结束，目前正在大量开采92号矿体。

铜坑矿92号矿岩体硬度大，部分区域节理裂隙极为发育，岩体完整性差。崩落法回采过程中，凿岩巷道经常出现冒顶、整体跨塌的现象，甚至在局部破碎区域采用加固措施后仍出现灾害现象，极大影响了矿山安全生产工作。通过现场实地勘察发现，部分巷道出现有松动掉块、顶板离层冒落、挂网破裂、锚杆失效等失稳破坏形式，如图4 所示。为保证巷道顶板安全稳定，需对裂隙巷道的稳定性进行分级，旨在能为巷道顶板的支护管理提供更加科学依据，以促进矿山安全生产。

图4 92号矿体裂隙岩体部分巷道顶板破坏失稳现象Fig.4 Destruction instability phenomena of the part roadway roof in the fractured rock mass of ore body No.92

4.2 裂隙岩体巷道顶板结构面调查分析

实践中对92号矿体裂隙岩体选择了4个试验区，采用精细网法对巷道顶板结构面进行了详细调查，利用Dips 软件对各试验区结构面进行分组，对结构面各性质进行统计分析。

1#试验区结构面按倾向可分为4 组，分别为1组10°～20°、2 组30°～40°、3 组280°～290°、4组300°～310°，其中1、2 组为优势组，倾角集中在45°～65°。结构面力学性质总体呈压性；间距为很密级别，迹长以中等连续性为主，隙宽为裂开级别，粗糙度以平直光滑和光滑波状为主，结构面干燥。

2#试验区结构按倾向可分3 组：1 组10°～20°、2 组110°～120°、3 组180°～190°，其中1、2 组为优势组，倾角主要集中在40°～60°。结构面类型主要为层理面，局部为脉岩充填的裂隙充填物，硬度较大，力学性质以压性为主；结构面间距密集、隙宽为裂开级别，潮湿状态，较粗糙，部分为平直光滑；连续性较低。

3#试验区结构面按倾向可分为3 组，分别为1组330°～340°、2 组110°～120°、3 组150°～160°，其中1 组为优势组，倾角主要集中在20°左右。结构面主要由压性的层理面构成；结构面间距很密，中等连续性，隙宽以裂开级别为主，结构面平直光滑，顶板为滴水状态。

4#试验区结构面按倾向可分为3 组，倾向分别为：1 组180°～190°、2 组210°～220°、3 组100°～110°，其中1、2 组为优势组。结构面类型主要为层理面和矿脉充填裂隙，充填物较硬，力学性质以压性为主，少部分为张性；结构面间距很密，以中等连续性为主，隙宽为裂开级别；结构面平直光滑为主，且均为渗水状态。

4.3 基于传统分类方法的巷道顶板稳定性评价

（1）RMR 分级方法

目前，国内外常用的工程岩体分级（分类）方法有许多种，如RQD 法、Q 法、RMR 法等[15]。本文采用得到广泛应用的RMR 法对各试验区巷道顶板稳定性进行评价，然后将其评价结果与新分级方法的评价结果进行对比。

地质力学RMR 分级方法由比尼奥斯基于1973年间提出，该分级方法共有5个基本指标：岩块单轴抗压强度、岩体质量指标RQD、节理间距、节理面性状、地下水条件及节理产状[16]。5个基本指标的分值都是根据工程实际情况按照标准取定，求和得到岩体的RMR 总评分值，然后按照节理的产状对工程稳定的影响进行修正，将修正后的总分对照表5 求得所研究对象岩体质量级别。

表5 RMR 岩体质量分级表Table 5 Rock mass classifications of RMR

（2）不同试验区巷道顶板RMR 分级

以铜坑92号矿体工程地质资料和结构面调查数据为基础，根据RMR 系统的取值标准，计算出不同试验区巷道顶板RMR 值，评价其工程稳定性。

92号矿体不同试验区巷道顶板均属于硅质岩，单轴抗压强度约为80 MPa；RQD 值分别为28.7%、69.5%、40.6%、28.7%，其他指标具体情况可由结构面调查分析结果确定。不同试验区巷道顶板RMR分类法分值计算如表6 所示。

由表6 的评分结果，1#～4#试验区巷道顶板岩体RMR 总分值分别为43、48、32、45，对照表5的分级标准可知，除了3#试验区顶板岩体为Ⅳ级外，其它三个试验区顶板岩体均为Ⅲ级。RMR 的分级结果表明：3#试验区顶板的稳定性最差，属于较不稳定的岩体；其他3个试验区的稳定相差不大，属于一般稳定性岩体。通过现场调查也表明，3#试验区顶板的稳定确实是最差，这与工程实际相符合。但现场3#顶板在巷道刚形成时已出现较大规模的掉块现象，已被迫立即采用锚网支护，而其他3个试验区顶板的稳定性则明显不一致，这与RMR 分级标准对工程稳定性描述有一定偏差。

表6 不同试验区巷道顶板RMR 评分表Table 6 The RMR scores of the roadway roof in different tests

4.4 基于BT 分级法的巷道顶板稳定性评价

（1）裂隙岩体模型建立在表征单体尺寸的取值规定下，试验区表征单元体尺寸在计算机能力范围之内尽量取大值，1#～4#试验区的表征单元体尺寸分别为4 m×4 m×4 m、4.5 m×4.5 m×4.5 m、6.5 m×6.5 m×6.5 m、5 m×5 m×5 m。利用GeneralBlock 软件建立各试验区的数学模型，将各组结构面调查参数输入到模型中，如图5 所示。识别所有块体，输出各块体体积。

图5 各试验区裂隙岩体模型图Fig.5 Fractured rock mass models of each test area

（2）块体化程度计算结果分析

利用GeneralBlock 软件识别出各试验区裂隙岩体模型中的所有块体，输出各块体的体积，利用相关软件绘制出各试验区顶板块体体积曲线。图6为92号矿体各试验区顶板块体体积曲线，表7为块体化程度计算结果。由图6 和表7 可知，1#～4#试验区巷道顶板块体百分比分别为62.25%、74.9%、92.04%、16.3%。参照表1，1#～3#试验区巷道顶板均属于块状化岩体，4#试验区巷道顶板属于轻度块状化岩体，其他试验区巷道顶板围岩均比较破碎。

图6 92#矿体各试验区巷道顶板块体体积曲线图Fig.6 Volume curves in roadway roof of each test area in the ore body No.92

结合块体体积曲线形状还可知，各试验区块体体积大小和均匀程度。1#试验区块体体积曲线较平直，块体化程度较高，存在大量小块体；2#试验区块体百分比较大，块体体积曲线最陡，块体体积比较均匀，小块体极少，块体体积集中分布在一定区段，顶板容易出现大块体松石掉落的失稳现象；3#试验区顶板块体百分比最大，达到了92.04%，说明顶板完整性极差，处于支离破碎的状态，且块体体积不均匀，这与现场情况极为吻合。4#试验区顶板块体百分比最小，仅为16.3%，仅存在极少数的块体，顶板完整性较好。

（3）不同试验区巷道顶板稳定性评价

以各试验区裂隙岩体块体化程度、结构面调查数据和岩石力学参数为依据，按照表3 的取值标准对各项指标进行评分，其中u1分值按照式(2)计算，分别确定各试验区分值向量U，最后根据式(3)的计算方法算出总评分值，对照表5 对各试验区巷道顶板的稳定性进行分级。表8 给出了4个试验区巷道顶板各指标取值情况和稳定性分级结果。结果表明：1#～4#试验区巷道顶板稳定性分别为不稳定（Ⅲ级）、不稳定（Ⅲ级）、极不稳定（Ⅳ级）和中等稳定（Ⅱ级）。

表8 铜坑92#号矿体4个试验区巷道顶板稳定性分级结果表Table 8 Roadway stability classification results of four pilot area in ore body No.92 of Tongkeng mine

4.5 传统RMR 法与BT 法评价结果比较分析

采用RMR 法和BT 分级方法对铜坑矿4个试验区的巷道顶板稳定性进行分级评价，结果均表明，3#试验区巷道顶板稳定性最差，这与现场情况吻合，但从整体上看，BT 法比RMR 法更为优越。

（1）稳定性描述

如3#试验区，现场岩体十分破碎，在巷道掘进过程中，顶板持续出现较大规模冒落掉块现象，在RMR 法分级结果中属于差岩体（Ⅳ级），巷道自稳时间约为10 h；在BT 分级法的结果中属于极不稳定级别（Ⅳ级），自稳能力极差，在无支护条件下巷道形成后随即失稳。

（2）分级准确性

在RMR 法分级结果中1#、2#和3#3个试验区巷道顶板均属于Ⅲ级岩体，稳定性相差不大；在BT分级法的分级结果中，1#和2#试验区巷道顶板属于不稳定级别（Ⅲ级），4#试验区巷道顶板属于中等稳定级别（Ⅱ级），现场调查表明，这些试验区巷道顶板稳定有较大差别，特别是4#试验区顶板完整性较好，基本上不需要支护，而1#和2#试验稳定性稍差。1#试验区顶板破坏形式主要是出现大小不一松石掉落，2#试验区顶板主要在局部位置出现离层冒落。

（3）安全管理指导作用

对于裂隙岩体而言，BT 分级法不仅能够对巷道顶板稳定性进行分级，且通过计算分析出岩体的块体化程度，深入刻划出巷道顶板完整性，对巷道顶板的安全管理具有较强的针对性指导作用。具体描述如下：1#试验区结构面条件较良好，顶板很干燥，但由于其顶板岩体块体化程度较高，存在大量小块体（是引起巷道不稳定的最重要原因），对于这类巷道则应在锚网支护的基础上适当喷浆，以防止大量不稳定小块体掉落；2#试验区顶板岩体完整性较差，危险块体体积较大，对于该巷道则应当采取锚网支护，在支护时应适当提高锚杆长度和密度；3#试验区巷道顶板支离破碎，稳定性最差，该巷道应当采取锚喷网支护，在支护时应适当提高锚杆长度和密度，增大喷浆厚度。4#试验区巷道顶板完整性较好，无需要采取特别支护措施，通过加强管理及时处理松石掉块即可保证巷道安全稳定。

5 结 论

（1）将块体化程度理论应用于裂隙岩体巷道顶板稳定性分级研究，提出了以块体化程度代替表征常规标准岩体完整性的岩体质量RQD 值和节理间距两项子指标，创新形成了一种特别适用于裂隙岩体稳定性分级的BT 分级方法，弥补了当前分级方法在三维空间上描述顶板围岩完整性的不足。

（2）系统提出了BT 分级法的评价体系，分析了影响裂隙岩体巷道顶板稳定性因素，运用AHP法确定各指标的权重，制定了各指标的取值准则和稳定性评价标准。

（3）运用传统分级方法中RMR 分级法和本文提出BT 分级法，完成了铜坑矿92号矿体裂隙岩体试验区巷道顶板稳定分级研究，对两种分级结果进行比较分析，结果表明：BT 分级法在稳定性描述、分级准确性和安全管理指导作用等方面比传统RMR 分级法更符合工程实际。

（4）BT 分级法用于评价工程稳定性时，如与现场试验、数值模拟等手段相结合，将会为地下矿山裂隙岩体巷道顶板安全管理提供更加可靠的依据。

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