松软破碎岩层巷道的掘进与支护

松软破碎岩层巷道的掘进与支护

摘要: 在高应力条件下的松软破碎岩层巷道掘进与支护，是图古日格金矿在竖井延伸和平巷 掘进中需要解决的技术难题． 采用小段面超前光面爆破掘进工艺，以及整体浇灌、锚喷网与 注浆联合支护技术． 建立了地下矿山巷道支护设计专家系统，为地下矿山巷道支护设计提供 了一种经济实用的辅助方法．

关键词: 高应力; 巷道支护; 专家系统; 光面爆破

中图分类号: P 571 文献标识码: A 文章编号: 1673 － 9787 ( 2010) 增－ 0158 － 06 0 引言

图古日格矿区大

地构造活动较强，属内蒙古中部地槽褶皱系苏尼特右旗晚华力西褶皱带宝音图隆起; 构造线为北东 向，受该褶皱带上的两条次级断裂控制; 出露地层为下元古界宝音图群( Pt1by) ，岩浆活动主要为中元古代及华力西中期酸性侵入岩，脉岩有石英脉、石英斑岩脉、花岗闪长玢岩脉、闪长玢岩脉和石英二长岩脉．号等矿带由断裂破碎带、断层影响带和接触破碎带组成，围岩蚀变为典型的中温热液蚀变类型，并且围岩岩体内裂隙较发育( 图2) ． 矿岩属不稳固岩体，个别地段极不稳固，采用常规的巷道掘进与支护技术难以通过该地段，通常是采矿所必需的采准、切割工程还没完工，先期开掘的巷道就垮塌了; 因此，研究松软破碎岩层巷道掘进与支护技术，是矿山开拓、开采首先需要解决的关键技术难题之一． 而利用地下矿山巷道支护设计专家系统作为辅助方法，采用小段面超前光面爆破掘进工艺，以及整体浇灌、锚喷网与注浆联合支护技术，有效地解决了这一难题，为图古日格金矿的竖井延深和巷道掘进提供了可靠的保证．

1 巷道失稳破坏机理巷道围岩的稳定性受多种复杂因素影响，其中主要受岩体

结构特征和岩体所处的力学状态影响与控制，前者是决定岩体稳定性的地学基础，后者是决定岩体稳定性与否的必要条件．

1． 1 竖井失稳破坏机理分析

图古日格金矿SJ1 和SJ21 均为矩形断面，净断面规格2． 0m × 2． 6m． 1 号竖井布置在矿体下盘地表移动带之外20 m 处的闪长岩体中，21 号竖井在花岗岩体中．从应力场的分布规律可知，矩形断面应力最不均匀，最大主应力方向为矩形的对角线方向( 图3) ． 1 号竖井在深135 ～ 150 m 段( 即三中段1220与四中段1180) ，从北西－ 南东向来的两组小断裂正好通过井筒，与井筒最大主应力方向一致，并且断裂之间及两侧发育许多小裂隙，致使井筒大面积溜帮、掉块严重，且井筒内发育有裂隙水，淋水较大，这种情况很可能造成无法掘进，最终竖井报废． 21 号竖井为新施工井，设计井深80 m ，在竖井与石门交汇处( 即马头门位置) ，一条宽1． 5 m 的蚀变花岗岩破碎带与竖井轴线成700 穿过井筒． 该破碎带蚀变强烈，裂隙水发育，竖井开掘后裂隙水夹杂花岗岩碎块成流砂涌出，造成竖井严重片帮，马头门大面积塌方，给施工带来极大困难．

1． 2 沿脉巷道失稳破坏机理分析

2 － 1、2 － 6、18 号等矿脉产于构造破碎带中，矿脉单侧或两侧围岩蚀变强烈，断层较发育． 由于矿脉较窄( 普遍2 m 以下) ，平巷为单一沿脉兼做探矿和运输巷道，规格为2． 0 m × 2． 0 m 的拱形．从应力场的分布规律可知，沿脉巷道轴线与最大主应力方向近于垂直，容易发生沿脉方向的大面积塌方( 图4) ;而且矿脉侧面的围岩蚀变破碎带较宽地段即使巷道( 在平巷宽度方向) 没有开挖，也要溜帮． 因此，能否保证在采矿完成之前运输畅通也是图古日格金矿面临的重大难题．增

1． 3 爆破对岩石和结构面的破坏作用分析

爆破使周围岩石受到的破坏，主要有5 种破坏模式，3个破坏区域( 图5) ． 5 种破坏模式: 炮孔周围岩石的压碎作用; 径向裂隙作用; 卸载引起的岩石内部环状裂隙作用; 反射拉伸引起的“片落”; 反射拉伸引起径向裂隙的延伸; 爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙．爆破对结构面的影响和破坏( 图

6) ． 结构面指沉积岩

的层面、不整合面、夹层，岩浆岩的流层与围岩接触带和挤压带、节理，变质岩的片理面、板理面，

构造形成的节理裂隙、劈理、断层等，以及次生的风化裂隙、泥化类层等等．

2 地下矿山巷道支护设计专家系统

2． 1 辅助方法的建立

以美国Inference 公司所研制的专家系统框架Xi_ Plus 为工具，建立了地下矿山巷道支护设计专家系统，从而为地下矿山巷道支护设计提供了一种经济实用的辅助方法． 阐述了系统的知识获取，知识库的建立及系统的设计． 有效的巷道支护设计通常是将传统的计算方法与长期巷道支护的实践经验结合起来． 据此，研制开发了地下矿山巷道支护设计专家系统． 用于建立该系统的知识、经验、事实和数据，大多来自国内矿山和西方几个主要采矿国家的文献报告、相关论文、研究项目和现场调查; 该系统有5 个知识库，系统具有十分友好的人机对话界面．

2． 2 知识的获取

由于专家系统的有效性和实用性完全取决于系统拥有知识( 包括经验、信息、数据和事实等)

的多少，所以知识获取是建立专家系统的一个最重要的阶段． 本系统所收集到的知识包括巷道围岩分

类、巷道断面形状及参数( 包括巷道用途和使用年限等) 、巷道支护方式、巷道成功支护经验( 或 称启发式方法) 和有关现场支护设计参数．

2． 2． 1 巷道围岩分类

地下矿山的巷道围岩状况是巷道支护设计的主要考虑因素，而围岩的好坏主要决定于组成围岩的 岩石． 根据围岩状况对巷道支护设计的影响，可以将围岩分为4 类，即坚硬岩石围岩、中强度岩石围

岩、低强度岩石围岩和软弱岩石围岩．

( 1) 坚硬岩石围岩． 岩石均质性较好，节理不发育，并且巷道顶板深部的岩体也比较稳定，无碎 石掉落现象．

( 2) 中强度岩石围岩． 具有较明显的层状结构，垂直顶板的节理很少，基本无碎石掉落．

( 3) 低强度岩石围岩． 围岩内岩体块度变化不大，弱面岩体的厚度小于2 ～ 3 cm，主要破碎面之

间的距离大于1 m，有碎石掉落现象．

( 4) 软弱岩石围岩． 围岩较破碎，破裂面呈多向性，主要破裂面间距小于1 m，常有碎石掉落．

2． 2． 2 巷道断面形状及参数

由于巷道形状和断面参数是多种多样的，为了专家系统研制的方便，该专家系统仅涉及目前矿山 常用的梯形、矩形、拱形、马蹄形和圆形平巷断面． 拱形断面可进一步分为圆弧拱断面、半圆拱断 面、三心拱断面和似椭圆拱断面． 描述巷道断面的参数有高度、宽度及使用年限，服务年限在5 a 以

上的为永久性使用，服务年限不超过5 a 的为临时性使用． 图7 为不同形状巷道稳定性次序图． 160 河南理工大学学报( 自然科学版) 2010 年第29 卷

2． 2． 3 巷道支护方式

目前，我国矿山巷道经常采用的支护方式包括木材支架支护、金属支架支护、砖石砌块砌璇支护、整体式混凝土支护、锚杆支护和喷锚支护． 不同支护方式的优点、缺点、适用条件及支护作

2． 2． 4 巷道支护启发式方法

用专家系统进行巷道支护设计，基本上是使用知识和经验进行推理和判断来完成的． 在系统开发之前，对收集来的知识和经验进行分类

整理，然后建立知识库，并编制相应的程序，模拟人类专家进行推理判断并做出决策． 系统中包括的知识库有巷道围岩分类知识库、巷道形状及断面参数知识库、巷道支护方式知识库、巷道支护经验知识库、巷道支护参数知识库．

表1 不同支护方式对比

支护方式适用条件优点缺点支护作用木架支护地压较小的块状岩石加工方便，架设容易木材消耗大，

服务年限短，支撑较小地压支撑作用金属支架支护地压较大的岩体架设方便，承载能力大

消耗钢材多，目前不宜过多使用支撑作用砖石、整体式混凝土支护各种地质条件整体性能好，承压能力大施工复杂，工序多，材料消耗多承压和阻止围岩变形喷射混凝土支护各种类别的围岩工序简单，机动灵活，有广泛适应性不适应膨胀性岩体，冻胀岩体等加固围岩，与其共同组成承载体锚杆层状或破碎岩体使用范围广，适应性强，节约坑木和钢材不同锚杆有不同的缺点悬吊、组合梁、加固拱作用．注浆支护各种地质条件新型技术和工艺，使用范围广，适应性强在工艺、材料和设备上需创新．胶凝加固作用

2． 3 知识库的建立

2． 3． 1 专家系统的组成

该系统以专家系统框架Xi_ Plus 为开发工具，Xi_Plus 是由具有自然英语语法的语言和一套用于知识表达和使用的功能组成的( 图9) ，它同时可以连接运行外部计算机程序如C 语言程序等． 系统中所包含的几个关键部

分描述如下．

( 1) 知识库． 知识库是专家系统的核心部分，包含从研究领域中收集来的知识、经验、信息、数据、规则、事实和解决问题的方法步骤等内容．

( 2) 推理机． 推理机由一些推理规则和原理组成． Xi_ Plus 中的推理机不仅可以正向推理和逆向

推理，而且也可以用正、逆向相结合的方式推理． 当运行专家系统时，推理机的工作顺序是: 将知识

库中的信息和用户提供的原始信息进行比较，寻找求解问题的目的或是因果关系，对有关的信息、数

据和事实进行评价，给出问题的求解方案．

( 3) 工作内存． 用于系统运行期间存储用户所提供的信息、系统运行过程中所得到的中间结论和 增刊王俊生: 松软破碎岩层巷道的掘进与支护161最终结果，以及系统在任一时刻所使用的推理方法和推理过程，它通常能够为用户提供有关系统运行的额外信息，例如对推理过程的解释等． ( 4) 用户界面． 用户界面主要用于用户和系统之间的信息交换． 当系统运行时，通过用户界面去操纵推理机，进一步去运行知识库． Xi_ Plus 提供了一个非常友好的用户界面，对于根本不懂计算机的用户来说，也可以运行已完成的专家系统．

2． 3． 2 系统设计

该系统中有知识库5 个，系统设计按照推理判断过程共分为3 个层次，即决策层、判断层和原始 条件层． 系统设计及知识库间决策控制转移决策层控制判断层的执行，而判断层的执行又需要从原始条件层获得信息和有关数据，原始条件层中包含了影响巷道支护设计的因素和信息．

3 小断面超前光面爆破掘进工艺由专家系统竖井断面为圆形，平巷断面为半圆拱或圆弧拱，且遇到松软破碎岩层掘进时采用小断面超前光面爆破掘进． 当前，许多矿山遇到不稳固矿岩段，采用绕道的方法通过． 但绕道成本太高，不利于探矿，有时会造成大量丢矿． 况且，一些重要工程位置一旦确定后，施工过程中遇到松软破碎岩层也不可能绕道． 生产实践证明，图古日格金矿部分矿体地段巷道掘进采用普通光面爆破工艺( 图11) ，无法避免发生片帮、冒顶． 于是，研究采用的小断面超前光面爆破掘进工艺，不但进一步降低了爆破震动对围岩的不利影响，更主要的是通过小断面超前，遇到非常松软破碎岩段则采用非爆破方法开挖到巷道边界，将巷道周边围岩的破坏程度降低到最小． 这一爆破工艺的特点是: 断面分两次形成，第一次按小断面布孔凿岩和爆破( 图12 中的阴影部分) ，第二次按成巷断面布置周边孔起爆光爆层或采用非爆破方法开挖到巷道边界． 形成小断面后，根据小断面超前成巷的成巷条件和矿岩性质具体布置光面爆破层的周边眼或采用非爆破方法掘进成巷，是确保这一工艺达到预期效果的关键． 一般原则是: 小断面成巷规整时按设计要求布孔; 小断面发生少量片帮冒顶时，则在片帮冒顶处将周边眼孔距加大; 若片帮冒顶超过50%，则采用风镐等非爆破方法将巷道掘进至设计边界．

4 喷、浇、锚、网与注浆联合支护工艺

巷道掘进遇到松软破碎岩层，采用目前常用的木架、单一锚杆、喷浆等支护方法难以奏效，如图 13 所示． 专家系统采用喷、浇、锚、网与壁后注浆联合支护的工艺，取得了预期效果． 其过程为: 在巷道开挖后立即喷射一层30 ～ 50 mm 厚的混凝土进行临时支护; 待巷道基本稳定后，进行整体浇

灌钢筋混凝土永久支护; 再用锚杆和钢筋网加强支护; 最后进行壁后注浆加固支护． 这种联合支护方

162 河南理工大学学报( 自然科学版) 2010 年第29 卷式充分合理地发挥了临时支护的让压作用，永久支护的高承压作用，锚杆金属网的组合支护作用和注浆胶凝加固作用． 其中，注浆胶凝加固是这一支护方式最有成效的重要方面，它使各种支护方式最终构成一个统一的联合承压整体． 特别是在已出现过的冒顶或矿岩松软破碎地段，喷浆料只能暂时封闭巷道围岩表面裂隙和冒落的松散岩块; 当巷道受到爆破震动等引起应力集中作用时，松动圈将增大，圈内岩体将脱离原岩体成为松散体，围岩松动会进一步加深，使锚杆失去支护作用，浇灌的混凝土成为一个孤立的支护体; 对喷、浇、锚、网支护后的巷道进行注浆支护后，注浆浆液将松散岩块和巷道围岩中的裂隙充填、胶结起来，使其成为具有承压作用的抗压结构体( 图14) ．具体技术参考数据为: 喷射混凝土厚度为30 ～ 50 mm ，配比为水泥∶ 砂子∶ 石子= 1 ∶ 2 ∶ 2，水灰比为0． 45 ～ 0． 50;浇灌钢筋混凝土厚度300 mm ，混凝土配合比为水泥∶ 砂子∶ 石子= 1 ∶2． 7 ∶ 4，水灰比为0． 50，采用直径10 mm 的钢筋，钢筋排列间距为500 mm; 采用管缝式，长2． 0 m，锚杆网度1 000 mm× 1 000 mm，梅花形排列; 条网为直径12 mm 的钢筋，成对横向布置，用钢板焊接，排距同锚杆一致．

5 结论

( 1) 建立地下矿山巷道支护

设计专家系统，将有关巷道掘进和

支护的所有知识及传统的计算方法

进行组合并且与长期巷道支护的实践经验结合起来，从而为地下矿山巷道支护设计提供一种经济实用

的辅助方法．

( 2) 小断面超前光面爆破掘进工艺，不但进一步降低了爆破震动对围岩的不利影响，更主要的 是通过小断面超前，遇到非常松软破碎岩段则采用非爆破方法开挖到巷道边界，将巷道周边围岩的破

坏程度降低到最小．

( 3) 整体浇灌、锚喷网与注浆联合支护，是在松软破碎岩层支护服务年限长、承受应力大的巷 道的有效方法，特别是注浆支护大幅度提高了破碎岩层的整体承压能力，使各种支护体和围岩成为一

个统一的整体承载结构． 目前，SJ1 和SJ21 已正常掘进和采矿．

( 责任编辑杨玉东)__