基于地应力的煤巷围岩分级方法及其应用

毋会兵

(山西晋煤泽州天安宏祥煤业有限公司，山西 泽州 048000)

巷道围岩稳定性受多种因素影响，既有定量因素又有定性因素，用现有的岩石力学理论很难确定各种影响因素与围岩稳定性和支护载荷的相关系数，支护设计更依赖于围岩稳定性分级体系。因此，实际的围岩稳定性分级可以较好地评价巷道所处的围岩条件和应力状态，为支护设计提供可靠的依据。

1 煤巷围岩稳定性分级指数

1.1 分级指数的确定

煤巷围岩稳定性受多种因素的影响，其中分级指数的选择原则：分级指数必须是影响围岩稳定性的重要因素，同时结合地质条件和采矿技术条件对指数的选取进行定量描述。通过对山西某矿区煤巷基本情况的研究可知，影响围岩稳定性的因素有工程地质因素和生产工艺因素两大类，这两大类因素都可以用比较容易获得的指数来表示。因此，选择3个类别的8个指数进行分析：

a) 顶板综合强度(Rrz/MPa)、底板综合强度(Rbz/MPa)、两侧综合强度(Rsz/MPa).

b) 垂直地应力(σh/MPa)、两侧水平地应力(σv/MPa)、水平地应力与巷道掘进方向夹角(θ/(°)).

c) 直接顶充填系数(N)、基本顶初次来压步距(C0/m).

1) 地应力测量。

地应力通过采用应力解除的方法进行测量，在该矿区井田内选取9个地应力测量点，通过对测量结果进行分析可以得到每一个测量点的水平地应力和垂直地应力，见表1.

表1 每一测量点的水平和垂直地应力表

地应力除了与地质构造密切相关外，还与埋深和覆岩容重有关。在确定附近的水平地应力时，应首先考虑“就近原则”，即地应力测量点距离煤巷距离较近。如果测量点距离煤巷较远，则根据表2公式进行计算。

表2 地应力和埋深关系表

2) 围岩综合强度。

围岩强度通常用岩体单轴抗压强度来表示，由于岩体内存在大量的节理和裂隙，因此这种表示形式显然是不科学合理的，有必要考虑岩体的综合强度。当对围岩的综合强度进行计算时，首先要确定岩样的强度，然后再计算岩体的强度，最终根据各层岩体的强度计算围岩综合强度。以顶板综合强度计算公式为例：

(1)

Krm=Rrm/Rrb

(2)

Krm=α·Jn+β·Bn+γ·Jc

(3)

式中：

Rrz—顶板的综合强度，MPa；

Mri—顶板第i层岩层的厚度，m；

Rrmi—顶板第i层岩层的强度，MPa；

Rrm—顶板岩层的单轴抗压强度，MPa；

Rrb—顶板岩样的单轴抗压强度，MPa；

Krm—顶板岩层的强度指数；

Jn—顶板岩层的节理裂隙发育程度；

Bn—顶板岩层的节理裂隙层理发育程度；

Jc—顶板岩层的填充和胶结程度；

α、β和γ—对应的相关系数。

3) 开采因素影响。

a) 直接顶充填系数(N).

直接顶充填系数反应了采空区的充填程度，且充填系数越大，基本顶下沉量越小，矿山压力显现程度也越缓和，反之则矿山压力显现程度越剧烈。基于现有的研究结果，采空区已经被充填的很密实，当N>4时基本顶下沉量较小。

b) 基本顶初次来压(C0/m).

基本顶初次来压步距反应了岩石的强度，且初次来压步距越大，矿压显现越剧烈，对巷道围岩稳定性的影响也就越大，反之则越小。当基本顶初次来压步距分别<20 m、20～35 m、35～45 m和>60 m时，对应的矿压显现程度分别为缓和的、明显的、强烈的和极其剧烈的。

1.2 确定分级指数的权重

基于该矿区现场工程地质条件，采用层次分析法确定影响巷道围岩稳定性的分级指数的权重。需要确定8个分级指数权重，并建立判断矩阵，然后计算分级指数权重，见表3，4.

表3 围岩关键指数权重的判断矩阵表

表4 围岩关键指数权重表

2 煤巷围岩稳定性分级

2.1 分级方法

模糊聚类分析方法是模糊聚类分析理论与方法的有机结合，通过建立模糊相似关系，使处理巷道围岩稳定性分级问题更为客观、灵活。采用模糊聚类分析方法，该矿区煤巷围岩将会被划分为不同的级别。模糊聚类分析方法在理论上可分为3类：模糊等价关系的传递闭包法、图论的聚类分析方法和ISODATA方法，在综合考虑上述方法的特点和适用性的基础上，选择了基于模糊等价关系的传递闭包法。在该矿区煤巷围岩稳定性分级中，模糊聚类分析方法的应用大致可以分为5个步骤，分别为：样本数据预处理、模糊相似矩阵的建立、动态聚类分析、围岩分级数的确定及围岩稳定性评价。具体分级方法流程情况见图1.

图1 分级方法流程图

2.2 样本数据的采集和处理

样本数据来自4个煤矿的30条巷道，分别为A煤矿7条巷道(1#～7#)、B煤矿8条巷道(8#～15#)、C煤矿8条巷道(16#～23#)和D煤矿7条巷道(24#～30#). 根据这30条巷道的工程地质条件、生产技术条件以及上述分级指数值的设置方法，结合地应力和岩石物理力学性质测试结果，得到原始数据的分级指数，见表5.

根据模糊聚类分析的基本原理，为了准确有效地使用该方法，必须对原始数据进行处理。结合巷道围岩稳定性分级指数和典型煤层巷道采样数据的具体情况，对采样数据进行数据标准化和加权处理两步预处理。

通过数据归一化处理，将样本数据压缩到一个封闭区间[0,1]，然后对压缩后的数据进行加权处理，即将各指数的归一化数据乘以相应的权重。利用相关系数法对处理后的数据进行校正，得到需要分级的样本巷道的模糊相似矩阵R，由于矩阵数据庞大，不给出矩阵R的详细数据。

模糊相似矩阵R是自反的，对称的，但不可转移的，因此它不是模糊等价关系，为此，R将转化为模糊等价矩阵R*. 在得到模糊等价矩阵R*的基础上，用不同的阈值λ截取，可以获得不同的分级。

2.3 确定最优分级数

由于选择的阈值不同，分级结果也不一样，为此，根据F-统计量选择最佳分级结果，可以计算出F-统计量使用方程式:

(4)

表5 分级指数的原始数据表

式中：

r—分级总数；

n—巷道样本总数。

当r从2变为12时，F和F0.05的各自值见表6.

表6 煤巷最优分级数的选择表

根据数理统计的方差分析理论，如果F>F0.05，则表明各分级间差异显著，分级结果合理。从表6中可以看出，当λ=0.82时，所有分级的F-F0.05值最高，所以此时聚类结果是最优的，这表明样本煤巷被分为4级是最合适的。

3 围岩稳定性分级结果与评价

通过对这些模糊聚类分析和经验评价结果的综合分析，将该矿区煤巷围岩稳定性划分为4个等级，分别为：非常稳定(I级)、比较稳定(II级)、中等稳定(III级)和不稳定(IV级)，确定了各分级指数的取值范围，见表7.

表7 煤巷围岩稳定性分级表

4 基于围岩稳定性的巷道支护优化

为了提高巷道支护质量，降低成本，选择按照围岩稳定性的典型巷道稳定性分级方法，通过对地质和采矿技术条件进行分析，采用数值模拟的方法对支护参数进行了优化设计，通过综合分析不同数值模拟方案下巷道围岩的塑性区分布规律和围岩移近量情况，确定了各类巷道的合理支护方法和参数。

将数值模拟的研究成果应用于巷道的各个分级中，见表8.

表8 煤巷锚杆支护参数表

在山西某矿区内的多条巷道进行现场工业性试验，工程实践结果表明，采用围岩稳定性分级方法确定的基本支护方法和参数，不仅能够保证煤巷的安全性，同时具有一定的经济效益和社会效益。

5 结 论

1) 在分析煤巷围岩稳定性影响因素的基础上，基于围岩综合强度3大类8项指数提出了围岩稳定性的分级方法。

2) 采用应力解除的方法确定了山西某矿区的地应力，并通过现场调查、岩石力学试验和矿山压力观测等手段对多条巷道围岩综合强度及开采因素进行了分析，为巷道围岩分级提供了可靠的基础数据。

3) 基于模糊聚类的方法，并采用数值模拟的方法，将该矿区内的煤巷围岩稳定性划分为4级，确定了各类巷道分级指数的取值范围，并在现场应用中取得了良好的效果，经济效益显著。