基于综合指数法的不良岩体巷道冒落危险性评价

史德俊 徐 恒 王春来 王贻明 胡乃联 吴爱祥

(1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.中色非洲矿业有限公司)

·安全·环保·

基于综合指数法的不良岩体巷道冒落危险性评价

史德俊1,2徐 恒1王春来2王贻明1胡乃联1吴爱祥1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.中色非洲矿业有限公司)

在系统分析影响不良巷道冒顶的地质条件和相关技术因素的基础上，基于综合指数法，提出了评价巷道冒落危险性的分级方法，推导了巷道发生冒落危险等级的指数计算公式并计算了评价指数。根据评价指数将冒落危险划分为无冒落危险、弱冒落危险、中等冒落危险、强冒落危险、极端冒落危险等5个等级，对各危险等级提出了相应的防治措施。基于巷道围岩地质条件及设计的支护措施，将该评价方法运用到谦比希西矿体的生产实践中，并根据评价结果对原有的巷道支护措施进行了改进和参数优化。应用结果表明：该评价方法的巷道冒落危险分级结果与生产巷道的情况基本一致，巷道支护措施的改进和参数优化效果较好，有一定的推广应用价值。

综合指数法 巷道冒顶 地质条件 支护工艺 危险性分级

谦比希西矿体工程地质条件复杂，岩体破碎，遇水泥化，部分巷道经常发生冒顶、垮帮，在阻碍生产的同时造成了严重的设备损失，对此，采用管缝式锚杆、注浆锚索、钢筋条带网等手段对巷道进行支护，但由于对矿岩条件、巷道冒顶垮落机理以及工程重要程度缺乏深刻认识，导致支护手段与巷道矿岩不匹配，支护方式单一，支护效果差，二次支护及巷道返修严重，未达到治理巷道冒顶的目的。大量学者对矿山不良岩体巷道的冒落机理及支护方式进行了大量研究，成果丰硕[1-3]，但对于不良岩体巷道失稳破坏危险性评价则较少涉及。巷道是否具有失稳破坏危险以及危险性程度大小与矿山支护设计、设备购置、开采进度等关系密切，在巷道支护前，有必要对巷道失稳破坏的危险性及危险等级进行全面评价，以便采取相应的方法进行支护。鉴于综合指数法的优良性能[4-5]，在全面分析谦比希西矿体不良岩体巷道变形破坏情况和失稳机理的基础上，对不良岩体巷道的冒落危险性进行评价。

1 巷道冒顶危险状态影响因素

1.1 地质因素

(1)相邻巷道是否发生过冒顶。若开挖巷道或相邻采场的巷道发生过冒顶，则在类似条件下进行巷道掘进或支护也容易发生冒顶。

(2)探放水孔单位涌水量。按照探水孔单位涌水量，可将巷道周围含水层富水性分为4级：①弱富水性(≤0.1 L/(s·m))；②中等富水性(0.1～1.0 L/(s·m))；③强富水性(1.0～5.0 L/(s·m))；④极强富水性(5.0 L/(s·m))。由于水对于巷道围岩承载能力的影响较大，因而与探放水孔单位涌水量相关的含水层的疏干性对巷道冒顶也会产生间接影响。

(3)上覆岩层结构。层面应力和层面位移是导致大跨度巷道顶板失稳的重要因素，当上覆岩层属于层状结构时，层面应力及其位移与巷道顶板岩层结构的关系更为明显。当巷道上覆岩层中具有坚硬岩层时，对于巷道围岩承载能力及后期锚固支护等均较有利。

(4)岩层倾角。不同的煤层倾角对巷道破坏形式和破坏程度的影响有所区别，如水平或倾斜煤层中的巷道易出现顶板下沉、冒顶等现象，而在急倾斜煤层中布置巷道则易出现鼓帮、底板滑落及顶板抽条冒落等形式的破坏[6]。谦比希西矿体采切巷道主要布置于矿化板岩、砾岩等岩组中，节理较发育，结构松散，与煤层情况类似，且倾角较缓，是顶板冒落的危险区域。

(5)围岩构造导水性。水对于巷道围岩及支护结构的承载能力均可造成严重的破坏，因而围岩中断层、裂隙等地质构造导水性是影响巷道冒顶的重要因素，尤其当断层等较大型的导水构造导通巷道周围大型含水层时，易形成水流通道甚至导致巷道突水。

(6)地质构造。复杂的地质构造可直接导致施工设备损坏、作业效率低下，影响巷道支护作业，增加巷道围岩冒落、泥化危险。

各地质因素的巷道顶板冒落危险指数见表1。

表1 地质因素的巷道顶板冒落危险指数

据表1，巷道周围矿岩地质因素对巷道冒顶危险的影响指数计算公式为

(1)

式中,n1为地质因素的数目；Ji为第i个地质因素的危险指数；Jimax为第i个地质因素的最大危险指数。

1.2 支护因素

(1)巷道顶板围岩支护方式。不同的支护手段对于巷道围岩变形、泥化、垮落等失稳破坏形式的控制程度各有区别，同类支护手段中，如均为锚杆支护，不同类型的锚杆支护效果也存在一定的差别。

(2)施工手段、设备性能及管理水平。主要通过巷道开掘进度、支护作业开展以及二者之间的配合情况进行评价。

(3)支护工作开展时间。由于巷道所处岩层的物理力学性质较差，且存在遇水泥化、顶板破碎等问题，因而新开掘的巷道开展支护工作与后期支护强度的形成以及泥化、涌水控制等方面存在密切联系。

(4)巷道跨度。巷道跨度越大，对于巷道围岩稳定性要求越高，布置于岩性较差的围岩中的巷道所需的支护强度及相应的支护工作量便越大，且经常由于层面应力、层面位移等因素造成顶板失稳。根据《工程岩体分级标准》(GB 50218—1994)，当巷道围岩体级别为Ⅲ～Ⅴ时，临界跨度标准为5 m及10 m。其中Ⅲ级围岩，当跨度大于10 m时，稳定时间短；跨度为5～10 m时，可稳定数月，而当跨度小于5 m时，可基本稳定。Ⅳ级围岩，跨度大于5 m时，一般无自稳能力；当跨度不大于5 m时，可稳定数日～1月。对于Ⅴ级岩体，无自稳能力，因而以5 m 及10 m为巷道临界跨度值。

(5)采场空区处理方式。采用充填法处理采空区可有效分担巷道围岩应力，避免采场应力向巷道围岩转移、集中，采用空场法开采的矿山巷道围岩也会形成应力集中，易造成巷道冒顶，若采用崩落法开采或处理采空区，易导致巷道软弱围岩受扰动冒落，增加冒落风险。

(6)相邻巷道间距。采切巷道间距与采矿方法的设计有关，间距越大，留出的应力集中区则越大，应力集中程度越小，对保持巷道稳定越有利。

(7)开掘深度。随着开采往深部延伸，相应的围岩性质也会出现一定的变化，特别是高地应力、软岩等问题，应力、巷道围岩性质的变化对于巷道顶板稳定性具有一定的影响。根据相关规定，取600 m为浅部及深部的临界深度。

支护因素的巷道顶板冒落危险指数见表2。

表2 支护因素的巷道顶板冒落危险指数

据表2，支护因素对不良岩体巷道发生冒顶危险的影响指数计算公式为

(2)

式中,n2为支护因素的数目；Mi为第i个支护因素的危险指数；Mimax为第i个支护因素的最大危险指数。

1.3 巷道围岩发生冒落危险的综合评价指数

综合Q1和Q2，可利用式(3)对巷道围岩发生冒落的危险性进行综合评价，并确定巷道发生冒顶的危险指数：

Q=max{Q1,Q2} .

(3)

2 巷道顶板冒落危险等级划分及对策

(1)无冒落危险。据式(3)，冒落危险性综合评价指数(以下简称“综合指数”)Q<0.2，一般对应区域的围岩岩性较好，基本无需进行较大强度的支护即可满足要求。

(2)弱冒落危险。0.2≤Q<0.4，对应岩性欠稳固或巷道顶板无渗水的区域，需进行冒顶防护，并进行一定强度的支护，主要应对方案：采用锚杆或锚索对需要支护的区段进行支护，并对顶板围岩进行动态监测，并及时处理巷道掘进或后期维护过程中出现的冒落现象。

(3)中等冒落危险。0.4≤Q<0.6，对应岩性局部不稳固或巷道围岩有渗水，受渗水影响岩壁出现泥化现象的区域，需对巷道进行锚杆或锚索支护，并采取措施进行巷道排水，避免大规模泥化、失稳、片帮等现象的出现，局部渗水较严重的区域可采用湿喷混凝土进行封闭处理。

(4)强冒落危险。0.6≤Q<0.8，对应围岩岩性不稳固或围岩渗水严重或几条巷道交错的“十字口”、“T字口”等特殊区域，需采用锚杆、锚索或湿喷混凝土进行联合支护，并注意围岩渗水的抽排，同时避免在“十字口”、“T字口”等特殊区域附近布置大型硐室、留下采场空区等，减少后续爆破或应力转移对该类区域的扰动，在日常巷道维护过程中也需对支护质量和巷道围岩进行动态监测，及时做好二次支护或封闭处理。

(5)极端冒落危险。Q≥0.8，对应区域围岩条件极差或存在大的断层、破碎带等构造的特殊地段，巷道附近存在较大的富水岩层。针对该类区域，需加大支护强度，一般采用联合支护，采用注浆等措施对涌水通道进行封堵，并需对该部分巷道进行实时监测，尽量缩短其存在时长，使用结束后仍需及时进行封闭、充填。

3 工程应用

3.1 谦比希西矿体巷道变形破坏机理

西矿体巷道围岩松散、破碎、遇水泥化、整体性差、承载能力低，使得在开采过程中，采场与巷道围岩垮帮、顶板冒落现象频繁发生。西矿体巷道围岩失稳的原因主要有：

(1)巷道围岩松散破碎、节理发育。巷道主要位于矿化板岩中，层理特别发育，且受后期构造节理影响，矿体极度破碎，此外，在矿体上下盘均存在氧化矿带，极易泥化，矿岩稳固性极差。矿山岩体质量分级结果见表3。

表3 岩体质量分级

(2)井下地下水丰富，巷道围岩遇水泥化现象严重，且水化作用也容易降低支护结构的承载能力。巷道遇水泥化使得围岩强度显著降低和弱化，矿岩承载能力降低，该矿山仅采用锚杆、锚索进行被动支护。

(3)矿山岩性复杂，当前采用的管缝式锚杆+注浆锚索+钢筋条带网联合支护结构，难以形成针对式的支护，设计支护参数与巷道围岩条件不匹配，巷道出现顶板冒落、垮帮现象，在巷道周围形成大范围的松散破碎带，同时巷道不同位置出现的变形破坏情况变化较大。

目前，在该矿体生产支护中，管缝式锚杆在硬岩区域支护时以塑性变形为主，即锚杆在施工时无法完全插入孔内，因塑性变形而暴露于孔外，而在破碎、泥化区域，锚杆孔径难以满足要求，锚杆锚固效果差，且由于矿岩偏软，锚杆长期锚固效果差。当地下水大时，水对锚杆的锈蚀作用也会影响锚杆的长期强度。在施工过程中，由于排气管绑扎方法错误、料浆水灰比过大等因素，造成锚索支护失效，钢筋条带网由于矿岩性质变化复杂以及施工原因造成支护效果不佳。由于上述问题的存在，使得该矿山岩体加固效果较差，常需要对采切工程进行二次支护，不但增加了支护成本，而且影响了矿山生产工效。

3.2 巷道围岩冒落危险性评价

由于矿岩条件较差，赋存条件不佳，开采条件复杂，谦比希西矿体在采切巷道掘进时对所有巷道均进行了危险性评价，并对其所处区域进行了支护分区。本研究仅选取西矿体150 m分段19#采场联络道进行分析。据工程地质调查结果，150 m分段19#采场联络道(垂直走向)分布于矿体和下盘围岩中，矿体主要岩性为矿化板岩，层理特别发育，且受后期构造节理的影响较严重，矿岩破碎，矿体下盘围岩岩性主要为下盘砾岩，12 m长的测线上分布有17条结构面，结构面密度较大，但无大型断层构造。通过钻孔发现，在矿体下盘存在0.5～1.5 m厚度不等的砂层，黏结强度低，揭露后极易垮塌，是影响巷道稳定的重要岩层。在同一分段开掘采场进路时，由于支护不及时，曾发生顶板冒落。虽然150 m分段靠近地表，且旁侧即为矿山露天开采的坑界，坑内有积水，但与巷道涌水通道不联通，巷道初始涌水量小于1.0 L/(s·m)，经排水，涌水量降低至0.1 L/(s·m)以下。150 m分段采用上向水平分层充填法进行回采，采场联络道宽4 m，开掘后立即采用管缝式锚杆+注浆锚索进行联合支护，支护工艺及施工手段均较落后，且注浆锚索施工存在严重的操作不当问题，影响支护效果。该分段19#采场联络道发生顶板冒落危险的地质因素、支护因素及对应的危险指数分别见表4、表5。

表4 引发巷道顶板冒落的地质因素及指数

结合表4、表5，由式(1)～式(3)计算可得150 m 分段19#联络巷发生冒顶的危险指数Q=0.72，即主要受地质因素的影响，冒顶等级为强冒顶危险，在矿山生产实践中，该联络巷曾发生过多次小型冒顶，返修及二次支护率较高，延误了生产。

3.3 巷道锚固方案及支护参数优化

根据巷道冒顶危险分类情况及工程地质调查结果，结合不同矿岩特性和矿山实际情况，变更原有的管缝式锚杆+注浆锚索+钢筋条带网联合支护为树脂锚杆+长锚索+钢筋条网+湿喷混凝土联合支护的形式。并基于悬吊、组合梁、加固拱等理论，对支护参数进行了计算或优化，此外，开展了混凝土材料配比研究、设备选型及施工培训等工作，将新型支护方式在全矿进行推广。实践表明：采用新型支护方式后巷道出现冒顶的现象大大减少，有效降低了支护和维修成本，提高了矿山生产的安全性。经方案改进及参数优化后的不同冒落危险区域的支护措施及相应参数见表6。

表5 引发巷道顶板冒落的支护因素及危险指数

表6 西矿体采切巷道冒顶危险等级及支护措施

4 结 语

通过详细分析影响巷道冒落的主要地质因素、支护因素，对巷道发生冒落的危险程度进行了分级，并给出了对应的支护措施，在此基础上提出了不良岩体巷道冒落危险性综合指数预测方法。采用该方法对谦比希西矿体巷道冒落危险性进行了预测，根据预测结果，对该矿山原有支护方式进行了改进和参数优化，提出了树脂锚杆+长锚索+钢筋条网+湿喷混凝土的联合支护方式，成效显著。

[1] 张 农，李桂臣，许兴亮.顶板软弱夹层渗水泥化对巷道稳定性的影响[J].中国矿业大学学报，2009(6)：757-763.

[2] 姚强岭，李学华，陈庆峰.含水砂岩顶板巷道失稳破坏特征及分类研究[J].中国矿业大学学报，2013(1)：50-56.

[3] 宗义江，韩立军，郜建明.极破碎软岩巷道失稳机理与动态迭加耦合支护技术研究[J].采矿与安全工程学报，2013(3)：355-362.

[4] 李志华，华心祝，杨 科，等.基于综合指数法的上提工作面压架危险性评价[J].采矿与安全工程学报，2015(3)：389-395.

[5] 周升平，王贻明，吴爱详，等.类综合指数法在采矿方法选择中的应用[J].金属矿山，2014(6)：25-30.

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Risk Evaluation of Roadway Caving of Weak Rock Mass Based on Comprehensive Index Method

Shi Dejun1,2Xu Heng1Wang Chunlai2Wang Yiming1Hu Nailian1Wu Aixiang1

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing;2.Africa Mining Public Limited Company, China Nonferrous Metals Co. Ltd.)

Based on the system analysis of the geological conditions and related technical factors that effects the roadway caving of weak rock mass, the classification method of the evaluation of the roadway caving risk is proposed based the comprehensive index method,and the risk rating index formula is derived and the evaluation index of caving risk is calculated.Based on the caving risk evaluation index,the hazard degree of roadway caving risk can be divided into five classifications such as no caving risk,weak caving risk,medium caving risk,strong caving risk and extremely caving risk,the corresponding preventing measures of above caving risk classifications are proposed.The classification method of the evaluation of roadway caving risk proposed in this paper is used to in mining practice to conduct the modification of the already existed roadway supporting measures and optimization of the supporting parameters based on the surrounding rock geological condition and designed supporting measures.The results of the west orebody of Qianbixi mine show that the roadway caving risk classification results of the evaluation method are basically consistent with actual situation of production roadway,the modification effects of the roadway supporting measures and optimization effects of the roadway supporting parameters are good,therefore,the evaluation method of roadway caving risk classification proposed in this paper can be used to conduct the roadway caving risk prediction and supporting in other mines.

Comprehensive index method, Roadway caving, Geological conditions, Supporting technics, Risk classification

2015-07-20)

史德俊(1970—)，男，总经理助理，高级工程师，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。