（采矿工程专业论文）巷道顶板稳定性分类及锚固支护机理研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道顶板稳定性分类及锚固支护机理研究 摘要 国内外巷道围岩稳定性分类研究正在由单因素定性分类向多因素、 多指标的定性和定量综合模式发展。尽管主要的分类方法应用和侧重点 不同，但其目的都是定量反映巷道围岩结构复杂性，为巷道围岩稳定性 评价和支护参数、支护方案的确定提供参考依据。但是，这些综合分类 方法指标的选取都是基于各种地质条件及工程情况，将巷道围岩( 体) 分为几个大类，归为同一类的围岩性质仍有较大的差异，给支护带来一 定的不确定性。 本课题正是针对这种情况而提出的，在同矿区，根据能反映各类 巷道顶板岩石( 体) 工程稳定特性的一些独立的因素或变数进行评判和 分类，每类反映一定的工程特性，并提出相应的支护对策，以适应具体 工程的需要。 课题选取大宁煤矿巷道为样本，对各巷道顶板作了现场钻孔取芯及 实验室力学参数测定及分析工作；配合锚杆支护技术在巷道围岩控制中 的广泛应用，在对巷道项板稳定性影响因素分析的基础上，采用层次分 析法，在众多的影响因素中建立一种秩序，对非定量的巷道项板稳定条 。件进行定量分析，并最终确定四个具有独立性和差异性的分类指标，确 定其对i i 标的影响程度；采用模糊聚类分析和模式识别二种方法，将大 太原理工大学硕士研究生学位论文 宁矿区各类巷道顶板分为五类，并根据锚杆支护机理及适用条件提出相 应的支护方案；利用面向对象语言v i s u a lb a s i c ( 简称) 语言编写了 巷道顶板分类与评价决策支持系统，该系统可进行权重计算、对巷道顶 板稳定性进行模式识别、以及提出支护建议方案，为设计及施工人员最 终确定支护方案提供全面可靠的依据。 工程应用表明，对大宁煤矿巷道顶板进行项板稳定性分类，在分类 的基础上进行支护设计，从监控测量结果和至今巷道的稳定性情况看， 巷道围岩分类正确，支护设计成功。因此，本文建议的巷道顶板评价分 类方法是可靠的，但该方法仍需要进行大量工程的验证和补充。 关键词：巷道，稳定性分类，模糊聚类，模式识别，锚杆支护 s t u d y o nt h es t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n o fe n t r yr o o fa n dt h es u p p o r tp r i n c i p l e o ft h eb o l t i n gs t r u c t u r e a b s t r a c t s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o nb e c o m e sq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea g g r e g a t i v e m o d e lb a s e do nm a n yf a c t o r sa n di n d e xf r o ms i n g l ef a c t o rq u a l i t a t i v em o d e l f o re n t r ys u r r o u n d i n gr o c ka th o m ea n da b r o a d d e s p i t ei t i sd i f f e r e n ti n a p p l i c a t i o n a n d e m p h a s e s o fp r i m a r yr o c km a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n m e t h o d s ，i t sp u r p o s e sa r er e f l e c t i n gc o m p l e x i t yo fp r o j e c tr o c km a s s s t r u c t u r eq u a n t i t a t i v e l ya n dp r o v i d i n gr e f e r e n c eg i s tf o rs u r r o u n d i n gr o c k s t a b i l i t y e v a l u a t i o na n d s u p p o r tp a r a m e t e r b u t t h e s e a g g r e g a t i v e c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sa r e a g a i n s t a l l s u r r o u n d i n g r o c k t h e e n t r y s u r r o u n d i n gr o c ki sd i v i d e di n t os e v e r a lc l a s s e s i th a sr a t h e rl a r g ed i f f e r e n c e f o rak i n ds u r r o u n d i n gr o c k ，w h i c hr e s u l ti ns u p p o r tm e t h o d sa r eu n c e r t a i n t y t h i ss u b j e c ti sm e n t i o n e da g a i n s ta b o v ec o n d i t i o n s t h ee n t r yr o o fi s c l a s s i f i e db a s e do np r i m a r ya n di n d e p e n d e n tf a c t o r si ns a m em i n eo re n t r y e v e r yt y p er e f l e c t sak i n dp r o j e c tc h a r a c t e r i s t i ca n db r i n gf o r w a r das u p p o r t s c h e m e i i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i st h e s i st a k e sd a n i n gm i n ea st h es a m p l e w ed r i l la n dt a k er o c k s s a m p l e si ne n t r yr o o fa n dt e s ti t sm e c h a n i c sp a r a m e t e ri n t ol a b o r a t o r y ； i n f l u e n c ed e g r e eo fe a c hf a c t o rf o ra i mi sc o n f i r m e dw i t ha d o p t i n ga n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ；t h ee n t r yr o o f s a r ed i v i d e di n t o f i v ek i n d s a d o p t i n gf u z z y e q u i v a l e n t m a t r i x e s c l u s t e r i n g m e t h o da n d p a t t e m r e c o g n i t i o nm e t h o d ，a n db o l t i n gs u p p o r ts c h e m ei sb r o u g h tf o re a c h k i n d o f e n t r y r o o fb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ；t h e d e c i s i o n s u p p o r t s y s t e m ( d s s ) f o re n t r yr o o fc l a s s i f i c a t i o na n de v a l u a t i o nd e s i g n e db a s e do n f a c eo b j e c tl a n g u a g ev i s u a lb a s i c ( v b ) ，i tc a nc a l c u l a t ew e i g h t ，c l a s s i f y e n t r yr o o fa n db r i n gf o r w a r ds u p p o r ts c h e m e ，i no r d e rt op r o v i d eg i s t s u p p o r ts c h e m ef o rd e s i g n e i + a n db u i l d e r a p p l i c a t i o ni np r o j e c tp r o v e st h a tt h e s em e t h o d sa r er e l i a b l e ，b u tw h i c h s t i l ln e e dv a l i d a t ea n ds u p p l e m e n ti np r o j e c t k e yw o r d s ：e n t r y , s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，f u z z y c l u s t e r i n g ，p a t t e r n r e c o g n i t i o n ，b o l ts u p p o r t i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：童逐 日期：! 堑卫j o 一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文- 9 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：艇 导师签名：握 日期：翌j ，! 。竺 日期：移，广，。 ：太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景、目的及意义 第一章绪论 我国煤炭资源丰富，在相当长的时间内，煤炭占我国能源消耗比重的7 0 左右。 高效合理地开发煤炭资源对整个国民经济的发展有重要作用。在煤矿井巷建设中， 由于巷道围岩多数为层状，节理、裂隙比较发育，且服务期较长，在其服务期内要 受到多种因素影响，而且随着开采深度的增加和赋存条件的变化，煤层及巷道顶板 稳定性问题变得突出起来。巷道顶板稳定性分类目的就是定量反映巷道围岩结构的 复杂性，为巷道顶板稳定性评价以及围岩支护设计提供可靠依据。因此，顶板稳定 性的准确分类是确保巷道掘进、维护安全的前提，是采矿工程技术人员重点研究的 课题，准确了解围岩结构及其对顶板稳定性的影响，具有重要的理论和实际应用价 值。 1 2 相关研究进展及存在问题 1 2 1 国内外巷道围岩评价方法的发展和现状 目前国内外关于岩体质量综合评价方法体系繁多，随着采矿事业的发展，地下 工程围岩评价研究较其它工程开展得更早更完善。各类围岩评价分类方法的参评因 素、评价标准等都不相同，对同一个评价对象，不同的评价方法可能会有不同的评 价结果。 2 0 世纪二十年代以前，主要是古典的压力理论阶段。2 0 世纪2 0 4 0 年代，随 着开挖深度的增加，越来越多地发现，古典压力理论不符合实际情况。于是又出现 了散体压力理论。代表性的： 程岩体质量评价方法主要有n p o t o 耶s k o h o bm m 普氏 分类( 1 9 2 6 ) ，t e r z a g h i 分类( 1 9 4 6 ) 等：5 0 6 0 年代期间主要有l a u f f e r 分类( 1 9 5 8 ) ， d e e r e 的r q d 分类( 1 9 6 4 ) 。这些分类多偏重于单指标定性或定量分类。 进入7 0 年代以后，岩体质量分类由定性向定量，由单因素向多因素方向发展， 太原理工大学硕士研究生学位论文 代表性的方法有美国的w i c k h a m 岩石结构( r s r ) 分类( 1 9 7 4 ，1 9 7 8 ) ，挪威b a r t o n 的 q 系统( 1 9 7 4 ，1 9 8 0 ) ，南非b i e n i a w s k i 的r m r 分类( 1 9 7 4 ，1 9 7 6 ) ，日本菊地宏吉的 坝基岩体分类( 1 9 8 2 ) ，西班牙r o m a n a 的边坡岩体s m r 分类( 1 9 8 5 ，1 9 8 8 ，1 9 9 1 ) ， 美国w i l l i a m s o n 的统一分类( 1 9 8 4 ) 等【6 】o 在采矿工程方面，h o u s e k n e c h t 等( 1 9 8 2 ) 将 沉积条件与煤瓦斯突出和煤层变化相联系，t r u m a n 和h o m e ( 1 9 8 2 ) 己开始尝试将此 类研究成果用于指导生产，查明了影响煤矿顶板岩层稳定性的主要沉积地质因素有 冲刷与凸顶、滑面、擦痕、夹薄煤层的砂页岩互层等，并发现，煤层顶板岩层在垂 向上和横向上的厚度和岩性变化很大，在矿井煤炭开采过程中顶板冒落、老顶来压 和岩煤层突出往往发生在老顶砂岩与页岩的过渡部位。p e t r a n o f ft v ( 1 9 8 0 ) 年e d a m b e r g e r h h ( 1 9 8 0 ) 指出，井下回采时，煤层顶板的质量取决于各种岩石类型的内 在联系、沉积早期的压实作用、同沉积构造和后期构造特征等因素。其中顶板的大 部分特征可能与沉积作用或早朗压实过程有关，后期的构造运动起着强化这些早期 特征的作用。九十年代，s h e a i a l b i nv r ( 1 9 9 3 ) 总结认为煤矿井下遇到的大多数顶 扳控制性问题可归因于丌采煤层围岩的沉积作用或早期压实强度和后期构造特征 诸因素。在地质构造复杂的矿【x _ - 采用仪器探测法，如利用地质雷达探测工作面前方 地质构造和地质异常体等技术，前苏联地质学家更注重利用各类地质参数预测地质 变化，如研究煤的物理化学特征来预测断层，统计地质数据进行构造变形分析；联 邦德固在鲁尔区采用构造成因：解析法、槽波地震等方法对工作面前方构造及顶板稳 定性进行分析预测，均取得了良好的效果 】。 我固对岩体质量评价研究：1 ：展较晚，主要有谷德振、黄鼎成( 1 9 7 9 ) 的z 一分类， 王思敬等人( 1 9 8 0 ) 弹性波指标z a 分类，关宝树( 1 9 8 0 ) 的围岩质量q 分类，杨子文 ( 1 9 8 2 ，1 9 8 4 ) 的m 分类，陈德基( 1 9 8 3 ) 块度模数m k 分类，王石春等人( 1 9 8 0 ， 1 9 8 5 ) r m q 分类，邢念信( 1 9 7 9 ，1 9 8 4 ) 坑道工程田岩分类，东北工学院( 1 9 8 4 ) 围岩 稳定性动态分级，长委的三峡y z p 分类( 1 9 8 5 ) ，水电部昆明勘测设计院( 1 9 8 8 ) 提出 大型水电站地下洞室围岩分类，王思敬( 1 9 9 0 ) 岩体力学性能质量系数q 分类，水利 水l u 工程地质勘察规范( 1 9 9 1 ) ，工程岩体分级国家标准( t 9 9 3 ) ，曾永成，杜伯辉( 1 9 9 5 ) 基于r m r 体系修改的c s m r 法，陈昌彦的岩体质量动、静态综合评价体系( 1 9 9 7 ) 等等【6 j 。在煤层项板方面，葛道凯、彭苏萍、孟召平等人就沉积层序和顶板砂体厚 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 度变化诸方面对顶板冒落性影响进行相似模拟试验研究，提出了顶板稳定性地质模 型，并指出煤层顶板性质基本上取决于沉积建造亚相特征，顶底板原始沉积环境的 空间分布控制了采场顶板整体质量：提出从影响顶板稳定性的地质因素入手，结合 岩石力学和采矿工程学的研究方法对煤层顶板稳定性进行较详细的研究。李增学等 ( 1 9 8 9 ，1 9 9 2 ) 提出的应用构造一地层分析法对矿井小构造进行研究。于双忠( 1 9 9 4 ) 和彭向峰( 1 9 9 7 ) 等从工程地质分析方法入手提出了煤矿巷道围岩稳定性评价新方 法。首先选定四个主要的影响因素：即岩石强度、结构面、水对岩体的影响以及原 岩地应力状态，然后把这四个指标综合成一张分类图表。丁述理等人进行的单因素 分析，综合评判的研究方法：根据能反映某地区某段岩石( 体) 工程稳定性的一些 独立的因素或变数，如岩石的单向抗压强度、分层厚度、裂隙发育程度、岩性、岩 石的形成环境、岩芯完整性、岩芯采取率等钻j l 资料获得的信息，然后分析这些单 因素的评价结果，去粗取精，去伪存真，综合评判，从而有效地削弱各种技术因素、 自然因素和人为因素的影响，使最终分析结果能更准确地反应顶扳岩石工程稳定性 的实际情况。另外，其它使用过的研究方法还有层次分析法、模糊聚类法、神经网 络、物理模拟和数值模拟等方法【2 4 1 。 1 2 2 国内外巷道围岩分类方法及存在问题 随着支护理论的发展，围岩分类理论经历了三个发展阶段：最早认为岩石性 质决定支护难度，如普氏和r q d 分类方法，属于单指标分类方法；随后人们认 识到围岩是不可忽视的重要影响因素，岩石性质与岩体性质有着重大差异，所以发 展了多因素分类方法，分类指标多达6 7 个，这类方法由于未能建立起多因素之 间的有机关系和主要指标获取困难等原因，分类时主观因素较强；近期的分类方 法多采用与支护有直接关系的综合指标分类方法，既考虑围岩稳定性的各方面影响 因素，又用单一定量指标表达出来。综合指标虽然是单一的，但所反映的是多因素 综合作用的结果，如围岩变形量分类法和围岩松动圈分类方法等。 1 2 2 1 岩体工程地质分级法( 单指标分类方法) 岩体的工程地质分级法认为，围岩稳定性的因素虽然很多，岩体结构特征和岩 体强度是两个最基本的因素，根据岩体强度和结构面发育情况分类围岩。典型的分 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 类方法有普氏分级法、岩芯质量指标r o d 分级法、以岩体弹性波为基础的综合分 类法等【”。 1 ) 普氏围岩分级法 普氏岩分级法全称为普氏坚固性系数分级法，是由俄罗斯学者普罗托季亚科诺 夫于1 9 0 7 年提出的。经过近2 0 年的实践后，1 9 2 6 年普罗托季亚科诺夫又提出了岩 石分类表，提出了普氏冒落拱：电压计算公式，并建议用普氏系数，来划分岩石的级 别，即 ，= r c 1 0 ( 1 一1 ) 式中：r 。一岩石的单轴抗压强度，单位为m p a 。 普氏围岩分类法将f 7 的岩层划分为硬岩。普氏坚固性系数分级是典型的单指标岩石分级法，能直观地反 映岩石的强度特性，方法简单，2 0 世纪5 0 7 0 年代曾在中国矿山开采和各种地下工 程中广泛采用，至今在浅埋工程中仍然发挥其作用。 多年的工程实践表明，用二f 围岩稳定性分类存在较大问题。普氏坚固性系数_ 厂 的是岩块的强度特征，未能岩体结构面特征及其对围岩稳定性的影响，影响较大的 原岩应力因素也没有考虑，所以用普氏围岩分类法不能正确评价围岩稳定性。 2 ) 岩芯质量指标r q d 分绒法 美国伊利诺大学的d e e r e 于1 9 6 7 年提出了十l 掘岩体质量指标r q d 对岩体分级 的方法。这种分级方法以在钻陈过程中岩j 占的采取妖度l o c m 的总k 度与钻孔长度 的比r o d 作为评价岩体质量的指标： q d r q d ：显1 0 0 ( 1 _ 2 )= 生1 0 0 ( 1 - ) l 式中：f 一岩芯单节长度( 只考虑l l o o m m 的岩芯) ： l 一钻孔长度。 r q d 反映岩体节理裂隙的发育程度，对围岩物理的评价有参考价值。该指标在 钻探过程中可顺便获得，方法简便，定量容易。但是，r q d 没有考虑节理的方向、 4 ：赶原理工大学硕士研究生学位论文 密实度和充填情况，原岩应力的影响也未能加以考虑，用它单独评价围岩的支护难 度，存在较大误差。 3 ) 以弹性波为基础的分类方法 日本池田和彦于1 9 7 3 年首选提出以弹性波传播速度为指标的分类方法，利用岩 体中弹性波传播速度随岩体结构、强度和应力的不同而发生变化的特性，反映地下 岩体结构面、强度、应力特性。 这种分类方法先按照地质分类表将岩石按地质年代分成a 、b 、c 、d 、e 、f 等 类别，每一类别的岩石确定基准波速范围：依岩体波速将围岩分为l 7 类，将实测 的工程岩体波速与其对照即可确定支护难度。由于同一地质年代中，同一类岩石如 砂岩，其波速变化范围很大，因此在支护分类中必然会造成不科学的现象，给工程 带来困难。 4 ) 岩石结构权值分类( r s r ) w i c k h a m 于1 9 7 4 年在美国提出的围岩支护预计模式，岩石结构权值主要考虑地 质参数和结构参数两大因素。 ( 1 ) 地质参数。如岩石类型、节理形态( 即平均节理间距) 、节理方向( 倾向 与走向) 、不连续面类型、：赶型断层、剪切面及褶皱、岩石材料特性、风化变质程 度。 ( 2 ) 结构参数。如断面尺寸、掘进方向、掘进方法。 r s r 通过累计每个参数的数值得到。这种分类方法考虑的因素过于复杂，部分 参数很难获得，进行权值分配时，带有主观性，实际应用中难以推广。由于没有考 虑围岩应力的影响，仅适用于浅埋隧道。 1 2 2 2 围岩稳定性分类方法( 多指标分类方法) 围岩稳定性分类以巷道支护设计为目的，分类指标除考虑岩体强度及岩体结构 面特征之外，这种分类方法还将原岩应力影响考虑进来。 1 ) 岩体质量系数q 分类法 岩体质量系数q 分类法，是挪威学者巴顿( b a r t o n ) 等在总结了2 0 0 多座隧道 工程资料的基础上，于1 9 7 4 年提出了以地质调查为基础的多参数分类法。本方法 全面地考虑了影响地下工程围岩稳定的因素，提出用一个综合指标q 来反映各因素 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 的综合作用，并根据观测资料建立了分类表。 q = ( r q d j 。) u ，j 。) v 。s r e ) ( 1 3 ) 式中：r q d 一岩体质量指标； j 。一节理组数： j ，一节理粗糙度； j 。一节理蚀变程度； j 。一裂隙水影响系数； s r e 一原岩应力影响系数。 这种分类方法涉及的资料多数基于地质调查，不需专门的测量仪器，易于一般 的施工单位接受。该分类方法：考虑了应力场状况，使其分类科学性前进了一步。由 于分类涉及的因素很多，而且其指标的确定具有较大的任意性，在实用中受到了限 制。 2 ) 巷道稳定性指数分类 前苏联学者札斯拉夫斯基等对顿巴斯煤矿深度为6 0 0 1 2 0 0 m 巷道的位移观测 研究表明，当自重应力与岩石单向抗压强度之比超过一定数值后，围岩变形量迅速 增加( 如图1 1 ) ，并将该比值定义为围岩稳定性指数： s = r 。 ( 1 4 ) 式中：s 一围岩稳定性指数： y h 一自重应力； r 。一岩石单向抗压强度， 当s 3 o 期 架棚、直墙拱碹经 架棚、直墙拱碹架棚、直墙拱碹 支护难易程度多次翻修稳定仍 仍出现破坏经1 2 次翻修稳定 难稳定 1 3 研究思路和内容 总结国内外对巷道围岩的各种评价方法，其侧重点不同，所选用的参评因素以 及分级方法也都不同。目前国内外对巷道围岩的各种评价研究表现为如下特点： ( 1 ) 围岩质量评价由单因素定性分级向多因素定性和多因素定量综合模式发 展，单一定性分级具有较大的主观性，缺乏统一分级标准；另一方面，影响围岩质 量的因素常具有不确定性、复杂性和模糊性等特征，因此用少数几个固定的评价指 标和简单的数学表达式难以准确全面地概括所有情况，围岩质量的完全定量化分级 只能具有数学意义；因此，只有以定量分析为基础，结合定性分析才能充分有效地 综合评价围岩质量发育特征。 ( 2 ) 由于各类巷道围岩评价方法的应用和分析侧重点不同，相应地采用了不同 的评价指标和分级标准。实际上，围岩质量评价目的是定量反映工程岩体结构的复 杂性，为巷道围岩稳定性评价以及巷道围岩的支护设计提供依据，而影响岩体稳定 性及其结构复杂性的因素可概括为地质因素和工程因素，其中地质因素又是主导因 素，这为各种评价方法的换算提供了理论基础，使各种评价方法的评价因素有逐渐 接近的趋势。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 各类围岩质量的评价方法都是从不同侧面选择几个固定的参评因素，按一 定标准进行简单的线性运算，从而得出围岩质量的综合评分，并据此进行围岩稳定 性分类。这些方法虽然简单方便，但无法反映复杂多变的地质情况，只能反映围岩 稳定性的某一方面特征。由于影响围岩稳定性的因素常具有多层次性、模糊性、不 确定性等复杂特点，对于不同：地质背景和具体工程，其影响因素及权值都不是固定 的，既有共同性，又有特殊性，因此巷道围岩稳定性评价应当采用静态和动态等多 种评价方法从不同侧面进行围岩稳定性的综合评价。 ( 4 ) 各类围岩稳定性的评价方法主要是针对各种围岩地质情况的共性进行综合 分类。而在同一矿区甚至同一巷道，归为同一类的围岩状况会具有很大的差异，而 且围岩地质情况经常会有局部特殊性，因此在为同一矿区的支护设计而进行的稳定 生评价和分类时，应充分考虑备巷道的地质、工程特殊性进行二次分类。 ( 5 ) 随着围岩质量分级的不断完善，围岩质量评价与围岩稳定性分析的有机结 合是围岩稳定性评价发展的必然趋势。 本课题f 是针对第( 4 ) 、( 5 ) 点提出的，即对同一矿区根据能反映某段巷道岩 百( 体) 工程稳定性特性的一些独立的因素或变数进行评判和分类，并提出相应的 支护对策以适应工程的需要， 本课题的选取大宁煤矿巷道为样本，对其各巷道顶板作了现场钻孔取芯及实验 室力学参数测定及分析工作，配合锚杆支护技术在巷道围岩控制中的广泛应用，以 巷道顶板稳定性为主线，在对：巷道项板稳定性影响因素分析的基础上，采用层次分 昕法，在众多的影向因素中建立一种秩序，对非定量的巷道顶板稳定条件进行定量 分析，确定出各因素对目标的影响程度；采用模糊聚类分析和模式识别二种方法， 实现数据的定量化处理，将大宁矿区各类巷道顶板分为五类，并根据锚杆支护机理 及适用条件提出相应的建议支护方案；利用面向对象语言v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 语言编写了巷道顶板分类与评价决策支持系统，该系统可进行权重计算、顶板稳定 性分类模式识别、以及确定出建议支护方案，为设计及施工人员最终确定支护参数、 支护方案提供全面可靠的依据， 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 概述 第二章巷道顶板稳定性影响因素分析 巷道围岩是指巷道周围有限范围内的岩体，是围岩稳定性分类的对象。巷道锚 杆支护系统可靠度功能函数的建立，依赖于对巷道围岩破坏机理的认识、破坏模式 的识别和定量分析的方法。巷道围岩稳定性的影响因素包括地质因素和工程技术因 素，主要有围岩应力、岩体强度与性质、岩体结构及裂隙分布、地质构造、地下水、 巷道断面、开采技术条件、支护条件、采动影响和相邻巷道扰动应力等【7 】【1 0 】。 袁2 - 1 地质力学评价内容及收集方法 t a b l e2 - 1t h ep r i m a r yf a c t o r sa n dc o l l e c tm e a n so f g e o m e c h a n i c se s t i m a t e 项目内容收集方法 地质钻孔资料、地应 应力场自重应力、构造应力、采掘应力 力实测及分析 现场取样、力学特性 地围岩性质岩体力学特性、完整性、膨胀性 实验室测定 质 层理分布、节理分布、裂隙方向 围岩构造现场取样分析 及大小 地下水地下水资料统计或现场观测 巷道几何尺寸、巷道破坏形式、 巷道断面资料统计或现场观测 顶高比 开采技术条件轴线布置、开挖方式及顺序 矿井设计 工 顶底板岩层锚固性、煤的锚固 煤、岩可锚性测定 程 支护条件 性、锚固材料特性现场锚杆拉拔试验 矿压显现规律、采动影响、相邻 采动影响观测资料 巷道扰动应力 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 巷道围岩稳定性影响因素分析 2 2 1 围岩应力 围岩应力包括自重应力、构造应力、采掘应力三部分。 1 ) 自重应力可以用，h 表示，y 为上覆岩层的平均容重，基本上可以认为是常 量。因此，自重应力可以用巷道埋深h 表示【9 】o 而且围岩中的应力与岩体所处的深 度( 即巷道埋深) 成正比。随着开采深度的增加，巷道矿压显现加剧，巷道围岩移 近量加大，已被大量的矿压观测所证实。图2 一l 为我国1 5 个矿务局根据回采巷道矿 压观测结果得出的采深与巷道顶底板移近率的关系曲线。 一5 0 誊 z 簪” 目 潼3 0 晕 董 普 图2 1 顶底板移近率与巷道埋深的关系 f i g 2 - i r e l a t i o nb e t w e e nt h er o o f a n df l o o rm o v e m e n tr a t ea n dt h ee n t r yd e e p 出图可以看出，巷道埋深直接决定原岩应力的大小，是确定巷道围岩稳定性的 基本因素之一。当巷道围岩处于弹性状态时，围岩变形量不大，围岩变形量与原岩 应力即巷道埋深成线性关系。对于圆形巷道，当围岩应力超过极限状态产生塑性变 形甚至围岩破坏时，围岩变形量与原岩应力呈幂指数关系，二者的关系为 = a ( p + b ) ( 2 1 ) 式中：p 一原岩应力； 1 2 ：赶原理工大学硕士研究生学位论文 a 、b 、c 一由围岩性质及巷道边界条件决定的系数和常数，其中 c ：土： s i n 舻围岩的内摩擦角。 式( 2 1 ) 是式( 2 - 2 ) 的简化 肛：堂亟旦塑巫i 坠磐i - s i n ( 2 - 2 ) 。 2 g + c c 辔妒) 詈 式中：p 一支架阻力； r 圆形巷道半径； c 一围岩的粘结力： g 一剪切模量。 公式( 2 2 ) 是把围岩当做弹塑性体，在各向等压的条件下，圆形巷道周边位移 的计算式。 总之，随着巷道埋深的增加，围岩移近量将不断增加，巷道维护更加困难。 2 ) 构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，主要集中在地质构造 变动比较剧烈的地区。构造应力具有区域性和方向性、由于构造应力的测试技术复 杂，测试费用高，现在很难把构造应力用做分类指标。 3 ) 采掘应力根据回采巷道矿压显现的一般规律，采掘影响应力由本区段回 采工作面的超前支承压力，相邻区段回采工作面的侧身残余支承压力，以及由于掘 进在围岩中产生的应力集中三部分组成。超前支承压力与煤层顶板的运动状态有密 切关系，本文作者用顶高比州) 来反映厚煤层顶板来压的强度，把n 值作为本区段 巷道支承压力影响的指标。 2 2 2 围岩性质及其构造特征 岩石是围岩体的组成物质，它的工程地质特性一般不直接决定岩体的稳定性， 但它是影响岩体稳定性的重要因素之一f ”】。岩石的力学性质主要指岩石的变形与强 度特性。围岩强度对巷道的变形和破坏起决定作用。一方面，围岩强度越高，围岩 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 变形破坏的程度越小，巷道越：容易维护。另一方面，巷道围岩本身就是一种天然承 载结构，其承载能力的大小与其强度有关【l ”。 影响沉积岩石力学性质的因素很多，主要有岩性类型、完整性、成分、结构、 孔隙度、水、胶结成分、胶结类型和支撑类型都影响着岩石力学性质【i3 1 。 ( 1 ) 岩性类型尽管同一岩性的岩石力学性质变化较大，但仍可以看出，单 轴抗压强度和抗拉强度以及岩石质量指标以砂岩类最大，粉砂岩次之，泥岩较小， 煤层最小。因此岩性类型对岩石强度和岩石质量均有重要的影响【i “。 ( 2 ) 完整性一般岩体程度不同的含有地质弱面和结构面，如层理、节理、 裂隙、软弱夹层等。这些弱面和结构面的存在，在很大程度上消弱了岩体的完整性， 降低了岩体的强度。在地下工程中，这些弱面和结构面往往是引起围岩失稳的重要 颐因之- - 1 9 】。 煤矿生产中回采工作面与回采巷道处于同一岩层中，顶板冒落的状况与顶板岩 体的完整性有着密切的关系。图2 2 、图2 3 是经大量现场统计得到的工作面冒落 ：淡况与顶板岩层分层厚度和裂凉数目的关系。从图中可看出，工作面后方冒落的高 咬随顶板裂隙数目的增加和分层厚度的减小而增加”。 2 5 0 2 0 0 24681 01 21 41 61 82 0 顶板岩层分属故目( 屠 图2 2 冒落岩石与5 0 m 厚顶板岩层厚度的关系 f i g 2 - 2 r e l a t i o nb e t w e e nv o l u m eo f r o o f - f a l la n dt h i c k n e s so f r o o f l a y e r 1 4 o rs嬖博弧挑嘧 太原理工大学硕士研究生学位论文 暴露顶板裂撼嵌( 翁 图2 - 3 顶板冒落高度与顶板裂隙的关系 f i g 2 - 3 r e l a t i o nb e t w e e nr o o f - f a l lh e i g h ta n dr o o f c r e v i c e ( 3 ) 顶板岩石成分和结构有关岩石成分和结构对岩石力学性质的影响研究， 已取得了有意义的定性认识：如石英含量越高，强度越大；细颗粒岩石的强度较高； 抗压强度随着孔隙率的增加而减少等。岩石中裂隙的存在，导致岩体的连续性被破 坏，削弱岩体内的连接力，降低岩体的坚固性和稳定性，所以在开采过程中，常会 发生无预兆的冒顶事故。岩石的非均质性、层理性、裂隙性，对岩石的物理力学性 质有重大的影响，岩石物理力学性质的连续或不连续、均匀或不均匀、各向同性或 各向异性，都取决于这些结构特征。 ( 4 ) 孔隙度砂岩的孔隙度对力学性质影响也很明显，随着孔隙度的增高， 岩体抗压强度有迅速减小的趋势。 ( 5 ) 水 水对岩石力学性质亦有重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩 石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力一应变曲线具有明显的应变软化特性 川。 ( 6 ) 沉积特征沉积岩的沉积特征对其力学性质、岩石变形、井下顶板支护 + 对策的研究均具有重要意义。如同一岩性层的抗压强度变化范围也很大，一般情况 下砂岩颗粒由大到小，岩石力学强度表现为由高到低；不同岩性的组合关系也显示 有不同的岩石力学性质：胶结作用是碎屑沉积物转变为碎屑岩的主要成岩作用，试 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 验结果表明，抗压强度高的砂岩属于硅质胶结、节理、裂隙不发育，抗压强度低的 岩体为泥质胶结，存在大量裂隙、层理及生物碎屑【2 0 1 。 ( 7 ) 构造结构面对于不同岩性的岩石，破坏机制存在差异，煤矿开采实践 证明，煤层顶板稳定性存在局部变化，与断层、褶皱活动相关，断层的存在可以改 变顶板冒落的一般规律，使顶板沿断层切下，导致工作面突然冒顶和来压。无论是 f 断层还是逆断层，在断层下盘靠近断层面附近最易冒顶，当巷道掘进到断层区时， 一般出现比较大的围岩变形，：艾护十分困难。顶板岩体中发育的小褶皱常使顶板条 件恶化，由于挠曲滑动作用，褶皱的层理面上擦痕遍布，使顶板稳定性降低。在断 层的形成过程中断层面附近为一明显的应力集中带，其变形破裂也最明显，在该带 煤岩层强度大幅度降低，远离断层，应力作用减小，变形破裂也变弱，因此平面上 越靠近断层，煤层孔隙和裂隙越发育，煤岩体力学强度也越低。 ( 8 ) 沉积结构面沉积结构面与成岩后所形成的构造结构面是有区别的，对 岩体力学性质的影响也各不相同。沉积结构面分布广，延展好，相互间高度贯通， 使沉积岩体具有许多特有的力学特征( 如图2 - 4 ) 。 o 图2 - 4 不同结构类型岩体应力应变曲线 沉积结构面是沉积岩体特有的性质，由于沉积结构面的存在使沉积岩体力学性 1 6 ：赶原理工大学硕士研究生学位论文 质呈各向异性。根据层理面上的强度特征将层理进一步分为弱面型与非弱面型。非 弱面型层理如交错层理，水平层理，平行层理等。岩体受力变形过程中一般不会沿 这些层理面破坏。弱面型层理如交错层理、砂纹层理、潮汐层理、互层层理和水平 层理等，岩体受力变形过程中，岩体易产生垂直于沉积结构面的张性破坏或沿沉积 弱面的剪切破坏。在成岩作用过程中接触面附近常发育有较多的垂直接触面的原生 裂隙，造成岩体的不连续性，对顶板稳定性影响很大。沉积岩体中软弱夹层实质上 是具有一定厚度的岩体软弱结构面，它与围岩相比，具有显著低的强度和显著高的 压缩性，其抗压、抗剪和抗拉强度均低于围岩，在采动影响下软弱夹层易于沿层面 脱落。 2 2 _ 3 工程因素 1 ) 巷道断面 巷道断面的大小与巷道围岩变形量有密切关系。即巷道宽度增加，顶底板移近 量也增加；巷道高度增加，两帮移近量也增加。前苏联用巷道净断面影响系数表示 巷道净断面积与巷道围岩变形量的关系，见表2 2 。从表中可以看出，巷道净断面 积相关很大时，巷道断面对围岩稳定性有显著的影响 2 3 】。 表2 - 2 巷道净断面影响系数 t a b l e2 - 2i n f l u e n c ec o e f f i c i e n to f n e tc r o s s s e c t i o no f