巷道围岩稳定性分类-煤矿常用的四种方法

巷道围岩稳定性分类煤矿常用围岩分类方法国内外学者在煤矿巷道围岩稳定性分类方面进行了大量研究，利用不同的分析方法与技术提出了多种分类方法。主要有：单指标因素分类方法（如岩芯质量指标RQD分类法），多因素综合为单一指标分类方法（如岩体质量系数BQ围岩分类法、巷道松动圈分类法），多因素多指标分类方法（模糊数学分类法、人工神经网络分类法等）。本节将重点介绍我国煤矿巷道常用的围岩分类方法。工程岩体分级标准根据GBT50218-2014《工程岩体分级标准》的要求，我国工程岩体分级具体分三步进行。首先，根据岩石的单轴抗压强度值和岩体的节理裂隙发育状况，确定岩体的基本质量；然后，求出岩体基本质量指标值BQ并进行分级；最后，考虑地下水、软弱结构面和初始地应力状态的影响，对岩体基本质量指标予以修正。具体方法如下：（1）确定岩体基本质量岩体基本质量根据岩石坚硬程度与岩体完整性两个参数确定。其中，岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强度。当无条件取得时，亦可实测岩石的点荷载强度指数，进行换算，指直径50mm圆柱形试件径向加压时的点荷载强度，与的换算关系见下式。（8.1）表征岩体完整性的岩体完整性指数()可用弹性波测试方法确定：（8.2）式中，为岩体弹性纵波速度(km/s)，为岩石弹性纵波速度(km/s)。当现场缺乏弹性波测试条件时，可选择有代表性露头或开挖面，对不同的工程地质岩组进行节理裂隙统计，根据统计结果计算岩体体积节理数(条/)，岩体完整性指数与岩体体积节理数的对应关系如表8.1所示。（8.3）式中，为第组节理每米长测线上的条数；为每立方米岩体非成组节理条数。表8.1岩体体积节理数与完整程度（条/）<33~1010~2020~3535>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.150.15（2）岩体基本质量分级岩体基本质量指标（BQ）按下式计算：（8.4）注意，使用本式时，应遵守下列限制条件：①当＞90+30时，以=90+30和代入计算BQ值；②当＞0.04+0.4时，应以=0.04+0.4和代入计算BQ值。根据岩体基本质量指标BQ值可将岩体划分为5类，具体见表8.2。（3）BQ值修正结合岩体工程情况，计算岩体基本质量指标修正值［BQ］，并仍按表8.2列的指标值确定本工程的工程岩体级别。（8.5）式中，K1为地下水影响修正系数；K2为主要软弱结构面产状影响修正系数；K3初始应力状态影响修正系数。其值可分别按表8.3、表8.4、表8.5确定。无表中所列情况时，修正系数取零。［BQ］出现负值时，应按特殊问题处理。表8.2工程岩体分级及其稳定性基本质量级别岩体基本质量指标BQ岩体基本质量的定性特征稳定性Ⅰ>500坚硬岩，岩体完整。跨度≤20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方。Ⅱ550～451坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整。跨度10～20m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；跨度＜10m，可长期稳定，偶掉块。Ⅲ450～351坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整。跨度10～20m，可稳定数日～1月，可发生小～中塌方；跨度5～10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小～中塌方；跨度＜5m，可基本稳定。Ⅳ350～251坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎；软岩，岩体完整～较完整。跨度＞5m，一般无自稳能力，数日～数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中～大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；跨度≤5m，可稳定数日～1月。Ⅴ<250较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩。无自稳能力。表8.3地下水影响修正系数地下水出水状态BQ>550BQ550~451BQ450~351BQ350~251BQ<250潮湿或点滴状出水，P0.1或Q25000.10.2~0.30.4~0.6淋雨或涌流状出水，0.1<P0.5或25<Q1250~0.10.1~0.20.2~0.30.4~0.60.7~0.9淋雨或涌流状出水，P>0.5或Q>1250.1~0.20.2~0.30.4~0.60.7~0.91.0注：P为围岩裂隙水压（MPa）；Q为每10m洞长出水量（L/min.10m）。表8.4主要软弱结构面产状影响修正系数结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线夹角<30°，结构面倾角30~75°结构面走向与洞轴线夹角>60°，结构面倾角>75°其他组合0.4~0.60~0.20.2~0.4表8.5初始应力状态影响修正系数初始应力状态BQ>550BQ550~451BQ450~351BQ350~251BQ<250极高应力区Rc/σmax<41.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区Rc/σmax=4~70.50.50.50.5~1.00.5~1.0岩石质量指标RQD分类表8.6按RQD大小的岩石工程分级等级RQD（％）工程分级Ⅰ90~100极好的Ⅱ75~90好的Ⅲ50~75中等的Ⅳ25~50差的Ⅴ<25极差的RQD是以修正的岩芯采取率来确定的。岩芯采取率就是采取岩芯总长度与钻孔长度之比。修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示，即（8.6）式中，l为长度大于10cm的岩芯单节长；L为同一岩层中的钻孔长度。工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。如表8.6所示，根据它与岩石质量之间的关系，可按RQD值的大小来描述岩石的质量。原煤炭工业部工程岩体分类原煤炭工业部工程岩体分类标准如表8.7所示，主要考虑岩石饱和单轴抗压强度、岩层结构、岩体结构面特性、稳定状态等指标。表8.7原煤炭工业部工程岩体分类类别名称岩性描述稳定状态岩性举例Ⅰ稳定1）完整、坚硬岩层，饱和抗压强度>60MPa，不易风化。围岩稳定，长期不支护无碎块掉落现象。完整的玄武岩、石英质砂岩、奥灰。2）层状岩层，层间胶结好，无软弱夹层。Ⅱ较稳定1）完整、比较坚硬岩层，饱和抗压强度40~60MPa。围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落。胶结好的砂岩、砾岩、大二台薄层灰岩。2）层状层岩，层间胶结较好。3）坚硬块状岩层，裂隙闭合，无泥岩充填物，饱和抗压强度>60MPa。Ⅲ中等稳定1）完整中厚岩层，Rc=20~40MPa。能维持一个月以上的稳定，局部会产生岩块掉落。砂岩、砂质页岩、石灰岩。2）层状岩层，以坚硬为主，夹少数软岩层。3）比较坚硬的块状岩层，Rc=40~60MPa。Ⅳ稳定性较差1）较软的完整岩层，Rc>20MPa。围岩稳定时间仅有几天。页岩、胶结不好的砂岩、硬煤。2）中硬的层状岩层。3）中硬的块状层岩，Rc=20~40MPa。Ⅴ不稳定1）易风化潮解剥离的松软岩层。围岩很容易产生冒顶、片帮及底鼓。炭质泥岩、各类破碎岩石。2）各类破碎岩。说明岩层描述半岩层分为完整的、层状的、块状和破碎的四种；（1）完整岩层：层理和节理裂隙的间距>1.5m；（2）层状岩层：层与层的间距>1.5m；（3）块状岩层：节理、间距<0.3m；（4）当地下水影响围岩稳定性时，应适当降低类别。基于松动圈范围的围岩分类松动圈理论认为：巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆受拉力的根源在于松动圈的发生、发展，并依据围岩松动圈厚度值大小将其分为小、中、大三类，松动圈的类型不一样，则锚杆支护机理也就不一样。松动圈理论认为，巷道支护的对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形力外，还有松动圈围岩的变形力。后者，常常占有主导地位。在现有支护条件下，试图用支护手段阻挡围岩松动损坏是不可行的，支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。支护对破裂围岩的保护作用为：松动圈发展变形过程中维持破裂岩块互相啮合不垮落，通过支护阻力限制破裂痕隙过分扩充，从而减少巷道的收敛变形。基于松动圈范围的围岩分类标准及支护机理与方式见表8.8。表8.8基于围岩松动范围的围岩