白音呼布岩体力学研究及支护设计专家系统应用

尤克成，齐小磊，黄 超

（锡林郭勒盟山金白音呼布矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026000）

1 岩体质量及地应力情况

白音呼布公司设计项目开采深度超过800m，在项目基建过程中，随着开拓工程揭露发现，浅部62线以西采场普遍存在岩体泥化、破碎现象，62线以东采场出现岩爆现象；随着开拓深度的增加，地应力逐渐增大，当开拓至100m中段时，岩爆现象频繁发生，一度影响了项目建设进度。

图1 管缝锚杆支护后围岩脱落、深部巷道岩爆现象

图2 垂直于主应力方向支护破坏严重

2 岩石力学项目开展情况

为切实解决公司在生产建设过程中遇到的浅部岩体破碎及深部岩爆情况，实现岩体破碎、地压明显区域的合理支护，公司先后与北京科技大学、山东黄金集团深井实验室合作开展了岩体质量分级研究和地应力研究工作。

通过综合运用BQ法、RMR法和Q系统法对矿山岩体质量进行全面质量评价，探索了RQD参数与岩体质量的对应关系，在此基础上对各类岩体的采场最大跨度进行了研究，对不同岩体中锚杆的锚固力进行了现场检测，并进一步优化了支护设计参数，开发了支护设计专家系统，极大地方便了现场技术人员精准优化设计方案。同时掌握了深部主应力方向对开拓工程的影响规律，为新开拓中段的巷道布置提供了设计依据，柔性支护理念在公司得到深入推广。

（1）综合采用BQ法RMR法和Q系统法对矿山岩体质量进行全面质量评价，完成了RQD参数统计[1]、地下水状态、结构面参数、地应力、抗压强度[2]、点荷载的实验和调查，对矿山各个采场岩体质量与稳定性进行评价，实现了对不同中段不同区域不同岩性合理优化采场设计参数，合理选择不同支护方式的目的，从而为矿山采掘工程顺利施工提供了安全保障和理论依据。

图3 锚杆拉拔试验

通过数值模拟研究和图表法计算，公司Ⅱ级围岩采场的最大跨度控制在9m～10m范围；Ⅲ级围岩采场最大跨度在6m～7m范围；四级围岩采场最大跨度在4m～5m范围；Ⅴ级围岩采场最大跨度为3m，可保证采场岩体的稳定。

（2）RQD系统的运用。RQD值反映了钻探时岩芯的完好程度，指使用金刚石钻头和双层单动岩芯管取芯钻探，每次进尺中等于或大于10cm的柱状岩芯的累计长度与每个钻进回次进尺的百分比，可用于对岩体进行分类和岩体质量评价。作为反映工程岩体完整程度的定量参数，目前该指标已被广泛应用于各种工程岩体的稳定性评价。

表1 各测点主应力计算结果

为方便工程技术人员利用坑探岩芯提前进行岩体质量预判，收集了建矿以来的坑内钻探RQD参数，对照岩体质量评价结论，找出了坑内钻探RQD参数与岩体质量的对应关系，实现了以坑内钻探指导采掘工程支护设计的目的。

图4 坑内钻探RQD参数统计

对比发现，从采矿工程安全角度进行考虑，在公司花脑特矿床通过RQD值判定的岩体质量等级，可直接应用于岩石的质量评价。统计发现，RQD小于36.67，开采跨度4m～6m时，需要间距为1.2m～1.8m的规则锚固支护。当开采跨度在4m，RQD值＞61时不需要支护或局部锚固支护。当开采跨度在6m，RQD值＞72时不需要支护或局部锚固支护。目前，公司所有坑内钻岩芯RQD值全部建立台账并上图，较好地保存了原始地探资料，所有单体设计全部以RQD值进行岩体质量预判，再通过支护专家系统进行支护方式设计。掘进或采场揭露后，再根据现场实际情况，运用RMR或Q系统法对岩体质量进行准确分级，同时对前期支护设计的合理性进行二次验证。如果发现原设计强度不足时，需进行设计变更。

图5 地应力在线监测系统

（3）针对巷道掘进过程中存在的岩爆现象，与深井开采实验室合作采用地应力测试、岩体结构面调查与岩石力学试验、开采过程中围岩应力、变形现场监测等手段，开展了矿区地应力场分布、岩体结构、岩性分布、岩石力学性质及开采过程应力迁移和地压活动规律研究。同时与北科大项目组也进行了相关地应力测量工作，运用数值模拟系统地分析了巷道走向与最大水平主应力方向呈不同角度时围岩的稳定性，得出了各中段巷道轴向与最大水平主应力方向最优夹角，并且利用该方法调整了100m中段沉泥巷方向，最大程度地降低了地压灾害。

（4）按照“开采深度超过800m的矿山企业要建立地压在线监测系统”要求，同时结合公司深部开拓现状，公司岩石力学工作室与北京科技大学联合开发了深部地压在线监测系统，实现了深部中段应力、位移的实时监测及预报。

3 支护软件系统介绍

在前期岩石力学工作的基础上，结合现场实际，开发了支护专家系统。系统包括岩石质量指标（RQD）模块、岩体地质力学（RMR）模块、隧道岩体质量指标（Q系统）模块。通过运行相应的围岩分类模块，基于力学指标、围岩等级、结构参数等基础数据从而对不同围岩条件下的围岩支护参数进行运算与优化，最终形成以岩体质量级别为依据的巷道支护方案。而且以这种方式，可将岩石力学基础数据真正纳入到围岩稳定性分析和支护设计过程，提高地压控制的科学性和合理性。操作流程如下：①选择围岩质量评价方法。本系统目前支持三种围岩质量评价方法，分别为岩石质量指标分类（RQD）、CSIR岩体地质力学分类（RMR）和NGI隧道岩体质量指标分类（Q系统）；②在围岩质量评价界面输入必需的现场调研数据，系统可据此计算出围岩质量的评分值，并对围岩质量进行分类，给出对应的支护方案；③导出计算结果和支护方案至EXCEL，方便用户阅览和使用。

图6 利用支护专家系统得出支护形式及参数

4 取得的效果

白音呼布公司岩石力学工作的开展在北科大及山东黄金集团深井实验室的大力支持帮助下，实现了从经验管理到科学研判的转变，同时支护专家系统的使用进一步规范了支护设计流程，改善了掘进施工质量及采场支护管理，在项目岩体质量较差且岩爆多发的情况下，保证了作业安全。