矿山巷道支护决策信息系统研究与开发

2021-11-03吴碧波王忠杰

世界有色金属 2021年13期

吴碧波，王忠杰

（中煤科工集团武汉设计研究有限公司，湖北武汉 430000）

对矿山巷道而言，其围岩的稳定性取决于围岩质量分级，质量差的围岩必须予以支护，才能保证稳定性，质量好的围岩无需支护，依然可以保持稳定[1]。目前一部分矿山巷道支护多依据新奥法进行施工，在新奥法理论中，对围岩质量的把握非常重要。规范中依据巷道围岩的地质特性对围岩进行分级，但是该分级系统对于特殊地质环境并不完全适用。特殊地质条件下的矿山巷道围岩的分级方法需针对不同的工程实践案例分别进行研究。

本文在基于湖北省某矿山巷道支护实测基础上，针对该矿山巷道围岩岩性表现出的渗透性，对矿山巷道围岩分级系统进行研究，并利用程序设计语言C#开发了集成巷道预支护决策信息子系统和施工中支护决策信息子系统为一体的矿山巷道支护决策信息系统。

1 进行支护巷道的基本概况

1.1 矿山巷道支护位置地质条件

巷道围岩为武当群片岩，属于变质岩，主要矿物成分为石英、钠长石、绢云母。鳞片变晶结构，片状构造，多为薄层～极薄层状，层厚一般为1cm～5cm，局部地段为中厚层状，层厚10cm～20cm。从地质构造上看，该处属于武当山推覆体构造，历史了经历多次的地质构造作用，冲逆断层和褶皱强烈发育，且岩体里存在较大的地应力[2]。地表水不发育，无常年性流水，地下水主要类型是基岩裂隙水，赋存于片岩裂隙和破碎带内，主要接受大气降水的垂直入渗补给，储存条件差。

1.2 矿山巷道围岩变形及失稳现象分析

该巷道自开挖以来，多次发生围岩的大变形和破坏失稳现象，分析其变形曲线发现变形具有变形量大，变形速度快的特点。初期支护刚度不足时则出现支护断裂，混凝土剥落等现象。针对这种现象，采取三处具有代表性的岩样进行了矿物成分分析实验，测试结果如表1。

表1 地质矿物的组成成分及含量

矿物分析实验表明：武当群片岩主要矿物成分为石英、长石，部分岩石含有绿泥石、伊利石、蒙脱石以及少量云母和白云石，相对含量在巷道区有一定变化。伊利石是粘土矿物，遇水软化，巷道开挖后，岩体暴露空气中，风化速度加剧，显著降低了岩体的力学参数。设计人员在进行围岩分级时未考虑到矿山巷道所处位置的地质情况，分级结果有时就会出现偏小的情况，则会设计出偏弱的支护结构强度，便会出现巷道围岩的大变形甚至失稳现象。

2 矿山巷道围岩的质量分级方法

围岩基本质量指标修正值[BQ]可按下面的公式求出：

[BQ]—岩体修正质量指标；

K1—地下水影响修正系数；

K2—主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3—初始地应力状态影响修正系数。

K1、K2、K3的取值可按规范的附录取值，因此可以算出修正后的围岩基本质量指标，但是这种围岩分级方法没有考虑巷道支护区域的矿物成分对其开挖后时空效应的影响，并不完全适合巷道施工。

根据矿山巷道变形的破坏机理，巷道围岩是武当群片岩，片岩的矿物成分中含有绢云母、绿泥石、伊利石和蒙脱石等吸水性矿物，这些微量的矿物成分使片岩带有一定的吸水性，这对围岩的质量和稳定性存在影响，在考虑围岩分级时也是不可忽略的因素。因此，由于矿山巷道支护区域的特殊围岩特征，巷道围岩分级在原有围岩分级考虑的因素之上必须考虑矿物特性。这里引入渗透系数K4。渗透系数K4的取值主要取决于岩石中含有绢云母和蒙脱石的含量，因为岩石的渗透性来自于绢云母和蒙脱石的吸水渗透作用。具体的取值来自于实验室对矿物成分和含量的分析结合工程经验获取。渗透系数K4见表2。

表2 渗透系数取值表

鉴于软弱夹层的发育和渗透性在沿线巷道中都是属于比较轻微的。因此不能因为软弱夹层存在使围岩分级出现大面积跨级现象，而是只有在软弱夹层对矿层稳定影响较大时围岩级别降低，因此K4前面的常系数适合取为（K1+K2+K3）系数的一半。因此，围岩基本质量指标修正值[BQ]可按下式求得：

那么，根据围岩质量指标修正指标[BQ]，即可根据矿山巷道设计规范查出围岩的质量级别，进而提出围岩初期支护参数和二次衬砌参数的改进值。

3 矿山巷道支护决策信息系统设计

3.1 C#语言简介

巷道围岩支护决策信息系统主要针对巷道施工过程中使用高级程序设计语言C#开发的。C#继承了C/C++的强大功能，同时综合了VB的简单可视化操作，看起来又同Java极为相似，如单一继承、接口、语法和编译过程等，它还借鉴了Delphi的一个优点，直接集成com（组件对象模型）[3]。矿山巷道支护决策信息系统是用C#开发的，系统集巷道预支护决策信息系统和巷道支护决策信息系统为一体，在使用中，较为方便。

3.2 支护决策信息系统开发原理

基于矿山巷道开挖前预支护设计方法，利用高级程序语言开发了矿山巷道支护决策信息系统，在程序开头为巷道的基本信息如：巷道名称、巷道形状、巷道长度。在使用过程中，对围岩质量进行分级，先输入里程桩号，根据实验室试验数据，输入矿石单轴饱和抗压强度Rc和矿石完整性系数Kv，点击预支护设计，即可输出围岩质量级别和初期支护信息。

在巷道开挖之后，施工区域的地质信息完全揭露出来，基于巷道开挖后支护设计方法，可得到围岩的质量级别和支护信息[4]。开发的巷道支护决策信息系统和巷道围岩预支护决策信息系统集成在一起。在使用中，先输入矿山巷道的基本信息，然后把矿石单轴饱和抗压强度Rc、矿石完整性系数Kv、地下水影响修正系数K1、主要结构面产状影响修正系数K2、初始地应力状态影响修正系数K3和渗透系数K4的数值输入，点击支护设计，即可输出实际的围岩级别和相对应的支护信息。在下一次使用前，点击清屏即可删除所有信息，重新计算下一次支护设计。

3.3 工程实践验证

该巷道设计长度根据地质资料和实验数据，按原设计围岩质量级别为Ⅲ级，属于中级偏好。在围岩爆破开挖后围岩条件被揭露出来，通过掌子面观测和附近围岩地质调查发现，围岩左壁湿润，有少量地下水成线状流出，在里程中端发育一软弱夹层，倾角60°，走向与巷道轴线夹角在20°～30°之间，该里程围岩质量偏低，不符合原设计资料[5]。结合实验室数据、现场调查量测和工程实践经验对围岩质量进行重新分级，如果不考虑地质矿物复杂特性的影响，利用巷道围岩支护决策信息系统的分级结果和支护信息巷道围岩级别为Ⅳ级。项目组最终把围岩分级定为Ⅴ级，初期支护和二次衬砌也采用Ⅴ级的支护参数，对支护后的围岩及时进行拱顶沉降和周边收敛的监控，以备设计变更。从对巷道断面的监测结果来看，最终位移在极限位移以内，围岩变形最终达到稳定，无需进行二次支护设计。