岩体质量分级预测与支护方式研究

詹梅芬，廖美红，贾名涛，秦 波，章雄飞，李成军，徐建飞

（浙江金安设计研究有限公司，浙江遂昌323300）

矿山安全生产是一项复杂、庞大的系统工程[1-2]。在矿山设计及开采的各个阶段，正确地对矿区巷道围岩进行质量分级，进而对其稳定性做出准确评价，是保障矿山安全生产的最关键、最基础的工作之一[3-5]。通过对矿山深部矿段部分岩样进行岩体质量等级预测，并借助数值模拟方法，研究巷道赋存在不同等级岩体状态下的宏观力学行为及支护效果，对保障矿山持续安全高效生产具有重大意义[6-8]。

1 工程背景介绍

矿区位于前坪仔村134°方向1.02km，矿区地形总体趋势是东南高，西北低。矿区东部山体呈近南北走向，矿区南部山体呈北西走向，山体多呈浑圆形，地形切割严重，沟谷多呈“V”形，坡度一般35°～45°，局部大于55°。最高点位于矿区南部，海拔1183.3m（人头岗），最低点位于矿区西北部溪床，海拔725.0m，相对高差450m。对矿山各中段进行工程地质调查得到矿山不同地质岩体的样本特征：+810m 中段：声脆、回弹，微风化；岩石微风化饱和单轴抗压强度99.8MPa；岩石坚硬；结构面发育平均间距95cm二组；结构面结合好；岩体纵波波速3630m/s；岩石纵波波速5000m/s；完整性系数0.527；岩体完整；Rc＞90Kv+30，BQ=464，属Ⅱ级；定性与定量特征不吻合；最终等级Ⅱ级。+760m中段：声脆、回弹，微风化；岩石微风化饱和单轴抗压强度100.8MPa；岩石坚硬；结构面发育平均间距100cm 一组；结构面结合好；岩体纵波波速4500m/s；岩石纵波波速5700m/s；完整性系数0.623；岩体较完整；Rc＞90Kv+30，BQ=514，属Ⅱ级；定性与定量特征吻合；最终等级Ⅱ级。+710m中段：声脆、回弹，未风化；岩石微风化饱和单轴抗压强度104.7MPa；岩石坚硬；结构面发育平均间距105cm一组；结构面结合好；岩体纵波波速4690m/s；岩石纵波波速5410m/s；完整性系数0.752；岩体完整；Rc＞90Kv+30，BQ=581，属Ⅰ级；定性与定量特征吻合；最终等级Ⅰ级。

2 指标筛选及分级模型优选

2.1 指标筛选

取样调查得到的样本特征较多，且部分指标之间存在着不同程度的相关性，如果将所有变量全部引入岩土工程质量分级中，将是不合适的[9]。

利用R语言软件，采用R型聚类分析方法，并结合专家学者以往经验，将岩体质量分级影响指标最终被分为3 类。最后通过因子分析筛选得到5 个影响指标作为后续岩体质量分级预测模型研究的变量，见表1。

从影响岩体质量分级的10 个指标中，最终挑选得到岩石饱和单轴抗压强度（Rc）、岩体完整性系数（Kv）、节理间距（JointDis）、岩石质量指标（RQD）、围岩强度应力比（Ratio）5个影响指标作为后续分级预测模型研究的变量。体重（Weight）指标暂不考虑主要是由于容重的区间范围在2.35～2.67g/cm3，且该指标的变异系数仅为0.034，在所有影响指标中最小。

表1 影响指标分类汇总表

2.2 预测模型优选

通过设置随机种子，将40 个样本随机切分成5 个相等的子集。原始数据通过随机抽取后的样本排序见表2。

以R为编程语言，在RStudio开发环境中通过支持向量机模型参数寻优以及对比线性判别分析与随机森林模型，最终得到各类模型误判样本数量见表3。

表2 岩体质量分级标准化数据样本

表3 类模型误判样本数量统计

从4类模型4次试验误判率样本数量可知：随机森林模型的表现并不是在每次试验中都处于最优。在第2 次试验中随机森林模型的预测效果与线性判别分析模型、SVM（线性核函数）模型一致；但在第4次试验中随机森林模型的预测效果就不如线性判别分析模型、SVM（线性核函数、径向基核函数）模型。这也说明：仅靠一次随机试验结果确定最优模型，偶然性较大，其结果并不具有代表性。而通过多次随机试验，将评估参数的均值作为最优模型的判别标准更加合理。

通过对比各类模型的预测结果，确定最优预测模型为随机森林模型。

3 支护方式研究

3.1 数值模型及力学参数选取

为保障后期工程的安全，基于岩体质量分级及不同等级岩体支护方式，建立运输巷道在不同岩体中的工程地质力学模型，研究巷道赋存在不同等级岩体状态下，宏观力学行为及支护效果。

工程地质力学模型的尺寸长×宽×高为36m×30m×34m，模型共划分为 144600 个单元，153078 个节点，模型底部边界为垂直方向约束，4 个侧面为水平方向约束，上部边界为自由边界，应力边界条件按照实测应力进行施加。屈服准则采用Mohr—Coulomb 模型，建立的工程地质力学模型如图1所示。

图1 巷道工程地质力学模型及支护形式展示

通过参考矿区矿岩力学参数，综合考虑前坪仔矿区岩体质量评价结果，得到其岩体物理力学参数推荐值见表4。

表4 工程岩体力学参数综合取值表

3.2 巷道围岩破坏分析

对比图2～图4中（a）图可知：破坏模式均以剪切破坏为主。在未支护工况下，主要破坏位置在顶底板。巷道在Ⅳ级岩体中，巷道周围均出现破坏，边帮位置出现剪切破坏。随着岩体完整性的提高，巷道周围塑性区范围逐渐减小。

分析图2～图4 中图（b）可知：Ⅳ级岩体较破碎，支护后顶板塑性区明显减少，边帮塑性区也同样减少。底板位置塑性区变化大不，由于支护没有覆盖至底板位置。在Ⅲ级围岩中，底板塑性区范围较小。

4 结论

（1）基于K折交叉验证方法，通过支持向量机模型参数寻优和对比线性判别分析模型与随机森林模型，开展了岩体质量分级预测模型的优选研究。研究表明：基于随机森林的岩体质量等级预测模型误判率最低，性能最好，4次随机试验整体误判率仅为7.5%。

（2）借助数值模拟方法，研究了巷道赋存在不同等级岩体状态下，宏观力学行为及支护效果。结果表明：Ⅳ级岩体为破碎岩体，采用锚网喷支护方案以后，顶板变形与塑性区大大降低，但需要关注底鼓现象。Ⅲ级岩体与Ⅱ级岩体完整性较好一些，巷道掘进过程中受到扰动较少，采用锚喷与素喷支护形式以后，都使塑性区范围减少，围岩顶板位移降低，应力集中现象减弱。对前坪仔矿区安全生产具有一定的指导意义。

图2 Ⅳ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图

图3 Ⅲ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图

图4 Ⅱ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图