霍州矿区岩石巷道围岩稳定性分类研究

苏夏收

(霍州煤电集团吕梁山煤电公司木瓜煤矿，山西 方山 033100)

巷道围岩稳定性评价是巷道支护的一项基础工作，对于促进煤矿综合机械化水平的提高，保证矿山安全生产，降低煤炭生产成本，提高生产效率都有着重要的理论和实际意义。目前，国内外巷道围岩稳定性评价研究主要集中在煤层巷道［1－4］，其中比较典型的是1988年我国学者提出的《缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》。对于煤矿岩石巷道围岩稳定性评价，目前主要借鉴一般岩土工程的岩体分类方法［5－6］，如 RQD 分类法、RMR 分类法等，对岩体质量与强度进行评价。然而与一般岩土工程相比，影响煤矿岩石巷道围岩稳定性的因素更为复杂，突出的问题是采掘活动所产生的矿山压力的作用，采用一般地下工程的岩体分类方法已无法描述这种复杂应力状态下围岩的稳定性状况。随着煤炭工业的迅速发展，如何针对煤矿岩石巷道围岩应力环境及围岩结构与强度特征，研究一套适合于岩石巷道围岩结构与力学特性的围岩稳定性评价方案及控制技术，已成为霍州煤电集团公司面临且亟待解决的难题。

霍州煤电集团下属矿井岩石巷道施工速度达数十万m/年，但对这些巷道的稳定性状况评价一直缺乏一种科学、合理的依据，基本都是依靠现场技术人员的定性描述和评价。为此，本文以霍州煤电集团下属矿井岩石巷道的具体工程地质与生产技术条件为背景，通过现场调研和收集大量的样本巷道数据，研究岩石巷道围岩稳定性分类方案及其支护方案。

1 岩石巷道围岩稳定性分类指标确定

岩巷围岩稳定性主要取决于巷道所处位置的矿山压力和巷道围岩结构;主要包括岩体物理力学性质、岩体结构与地质构造、岩层倾角、地应力的大小和方向、巷道埋深、地下水情况、巷道轴线的位置和方向，巷道的断面形状和尺寸，采动影响以及施工和支护方法等因素。依据提取巷道围岩稳定性评价指标的5个原则，即重要性、独立性、可分性、易获取和明确性，选取如下4个方面的指标。

1)岩体强度R。岩体强度取巷道所在岩层的抗压强度，单位为MPa;其值可以从霍州煤电集团的围岩物理力学性质数据库中查询。

2)岩体完整性D。由于岩体完整性指标要能够综合反应岩体节理裂隙的发育程度、完整程度以及岩体中是否存在断层或软弱夹层等众多的因素;而这些因素又都不易量化，因此，对岩体完整性指标采用定性描述的方法来取值。根据岩体裂隙基本特征可将岩体裂隙发育程度分为裂隙不发育、裂隙较发育、裂隙发育和裂隙极发育4个等级，分别对应着岩体完整、岩体较完整、岩体破碎和岩体极破碎。这样，岩体完整性就可以通过如下的方式进行评价：即将岩体完整性分为7个等级，每个等级用［1，7］间对应的一个整数来表示。对于岩体裂隙不发育，D=1;对于岩体裂隙较发育，D=3;对于岩体裂隙发育，D=5;对于岩体裂隙极发育，D=7;对于岩体介于裂隙不发育和裂隙较发育之间，D=2;对于岩体介于裂隙较发育和裂隙发育之间，D=4;对于岩体介于裂隙发育和裂隙极发育之间，D=6。

3)地下水状态ω。地下水的状态对巷道围岩稳定性的影响十分复杂，而且不易获得有关数据，因此，目前对地下水的影响尚缺乏有效的定量评价方法。现考虑根据岩层的涌水量，采用定性与定量相结合的方法对地下水的状态进行评价，即将地下水的状态分为完全干燥、潮湿、有裂隙水、中等水压和水问题严重等5个等级，每个等级用［1，5］间对应的一个整数来表示，见表1。

表1 地下水状态的评价与取值数

4)原岩应力因素σh、θ和H。表征原岩应力的3个指标，即最大水平主应力σh、最大水平主应力方向与巷道轴向的夹角θ以及巷道埋深H，其值由现场地应力实测获得。

2 岩石巷道围岩稳定性模糊聚类分析

2．1 模糊聚类分析基本原理

模糊聚类分析法是基于模糊数学理论与方法，通过建立模糊相似矩阵来对客观事物进行聚类分析，是一种非常适合于处理带有模糊特性的聚类问题的方法。对于巷道围岩稳定性分类这样的研究对象，由于其自身带有一定程度的模糊性，因此，采用模糊聚类分析的方法进行研究将更加符合实际情况。本文采用基于模糊等价关系动态聚类法进行岩石巷道围岩稳定性进行聚类和评价，其基本过程分样本数据预处理、模糊相似矩阵建立、动态聚类分析和确定最优评价结果等4个步骤。

2．2 样本数据收集与整理

通过对霍州煤电集团下属矿井岩石基本条件的深入调查与分析，整理出了19条典型的岩石巷道样本，其分类指标的原始数据见表2。表2中Z1和Z2分别表示岩石巷道的支护强度和围岩破坏程度。支护强度Z1采用区间［1，4］上的4个整数来表示，分别代表无支护、较小支护强度、中等支护强度和高支护强度;同样，围岩破坏程度Z2也采用［1，4］间的4个整数来表示，分别代表轻微破坏、较小破坏、中等破坏和严重破坏。定义岩石巷道围岩的初始稳定性状况由支护强度Z1和围岩破坏程度Z2两者之和来确定，即：

根据P值的分布特征，考虑将岩石巷道围岩稳定性初步划分为稳定(Ⅰ类)、中等稳定(Ⅱ类)和不稳定(Ⅲ类)等三个类别，即：

利用(1)式和(2)式计算确定的典型岩石巷道样本的围岩稳定性分类情况见图1，典型的岩石巷道样本见表2。

图1 经验确定的岩石巷道围岩稳定性状况分布图

2．3 岩石巷道围岩稳定性分类

依据模糊聚类分析法基本理论，采用Visual C++语言编制了模糊聚类分析的计算程序。结合19条典型的岩石巷道样本数据，利用该程序进行样本数据预处理、模糊相似矩阵建立以及动态聚类3个步骤以后，得到了岩石巷道样本围岩稳定性状况的动态聚类过程，见图2。

表2 典型的岩石巷道样本

从图2可以看出，由于在动态聚类分析过程中选取了不同的阈值λ，故得到了不同的分类结果。为从这些分类结果中选择一种最合理的分类方案，考虑利用F—统计量来确定，其计算公式为：

式中：

r—分类数目;

n—巷道的样本数目。

岩石巷道最优分类数的选择表见表3，表3给出了利用(3)式计算的分类数r由2变到9时的各个F值及其在0．05可信度下的F0．05值。数理统计方差分析理论表明，如果F＞F0．05，说明类别与类别之间存在着显著的差异，即说明分类结果合理。从表3可以看出，当 λ =0．68，F － F0．05取最大值，故此时的聚类结果是最合理的，即岩石巷道样本的最佳聚类数目为3类。

表3 岩石巷道最优分类数的选择表

为评价岩石巷道的围岩稳定性状况，将上述计算确定的模糊聚类结果与表2中的经验评价结果进行了比较，见表4。从表4可以看出，这两者结果具有很高的一致性，个别的差异性表现在模糊聚类分析得到的1类巷道与经验评价的Ⅰ类稳定巷道相对应(除18号巷道外);模糊聚类分析得到的2类巷道与经验评价的Ⅱ类中等巷道相对应(除1号和17号巷道外);模糊聚类分析得到的3类巷道与经验评价的Ⅲ类不稳定巷道相对应。因此，综合模糊聚类分析与经验评价的结果，最终将霍州煤电集团岩石巷道围岩稳定性分为稳定(Ⅰ类)、中等稳定(Ⅱ类)和不稳定(Ⅲ类)3个等级。

表4 岩石巷道聚类分析与经验评价结果对比

3 基于围岩稳定性评价的支护方案优化分析

巷道围岩稳定性分类的主要目的是为了准确地了解巷道围岩稳定性状态，进而针对不同的工程地质和生产技术条件来合理地选择巷道支护形式与参数，并为井下巷道的施工管理提供一定的科学依据。为此，针对霍州煤电集团下属矿井不同类别条件下的岩石巷道的变形与破坏特征，通过采用理论分析、数值计算以及现场实测等相结合的手段，分别对每类岩石巷道提出了最佳的支护方案与参数选择的标准，见表5。

表5 霍州矿区岩石巷道支护对策选择标准

4 结论

1)基于霍州煤电集团岩石巷道基本条件，选取了岩体强度R、岩体完整性D、地下水状态ω、水平最大主应力σh、水平最大主应力方向与巷道夹角θ以及巷道埋深H等6个围岩稳定性评价指标。其中，前3个指标用于表征围岩强度特征，后3个指标则用于表征围岩应力特征。

2)基于大量的调研实测样本数据，采用模糊聚类分析方法，将霍州煤电集团下属矿井岩石巷道围岩稳定性划分为稳定、中等稳定和不稳定3个类别。

3)通过对不同稳定性条件岩石巷道进行理论分析、数值计算分析和工程实践，提出每类巷道最佳的支护对策，制定了霍州煤电集团下属矿井岩石巷道支护对策的选择标准。

［1］ 周保生，朱维申，李术才．综放回采巷道围岩稳定性分类的研究［J］．煤炭学报，2000，25(5)：469－472．

［2］ 刘王堂，侯朝炯．我国缓倾斜，倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类的研究［J］．煤炭学报，1989(3)：21－36．

［3］ 庞建勇，郭兰波．平顶山矿区煤巷围岩综合分类方法探［J］．岩石力学与工程学报，2006，25(1)：179－183．

［4］ 朱一丁，马文涛．回采巷道围岩分类的支持向量机方法［J］．采矿与安全工程学报，2006，23(3)：362－365．

［5］ 周维垣．高等岩石力学［M］．北京：水利电力出版社，1990：7－9．

［6］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［M］．北京：科学出版社，2002：30－33．