松軟破碎巖層巷道的掘進與支護

      地構造活動較強，屬內蒙古中部地槽褶皺系蘇尼特右旗晚華力西褶皺帶寶音圖隆起; 構造線為北東 向，受該褶皺帶上的兩條次級斷裂控制; 出露地層為下元古界寶音圖群( Pt1by) ，巖漿活動主要為中元古代及華力西中期酸性侵入巖，脈巖有石英脈、石英斑巖脈、花崗閃長玢巖脈、閃長玢巖脈和石英二長巖脈．號等礦帶由斷裂破碎帶、斷層影響帶和接觸破碎帶組成，圍巖蝕變為典型的中溫熱液蝕變類型，并且圍巖巖體內裂隙較發育( 圖2) ． 礦巖屬不穩固巖體，個別地段極不穩固，采用常規的巷道掘進與支護技術難以通過該地段，通常是采礦所必需的采準、切割工程還沒完工，先期開掘的巷道就垮塌了; 因此，研究松軟破碎巖層巷道掘進與支護技術，是礦山開拓、開采首先需要解決的關鍵技術難題之一． 而利用地下礦山巷道支護設計專家系統作為輔助方法，采用小段面超前光面爆破掘進工藝，以及整體澆灌、錨噴網與注漿聯合支護技術，有效地解決了這一難題，為圖古日格金礦的豎井延深和巷道掘進提供了可靠的保證．

1 巷道失穩破壞機理巷道圍巖的穩定性受多種復雜因素影響，其中主要受巖體

結構特征和巖體所處的力學狀態影響與控制，前者是決定巖體穩定性的地學基礎，后者是決定巖體穩定性與否的必要條件．

1． 1 豎井失穩破壞機理分析

圖古日格金礦SJ1 和SJ21 均為矩形斷面，凈斷面規格2． 0m × 2． 6m． 1 號豎井布置在礦體下盤地表移動帶之外20 m 處的閃長巖體中，21 號豎井在花崗巖體中．從應力場的分布規律可知，矩形斷面應力最不均勻，最大主應力方向為矩形的對角線方向( 圖3) ． 1 號豎井在深135 ～ 150 m 段( 即三中段1220與四中段1180) ，從北西－ 南東向來的兩組小斷裂正好通過井筒，與井筒最大主應力方向一致，并且斷裂之間及兩側發育許多小裂隙，致使井筒大面積溜幫、掉塊嚴重，且井筒內發育有裂隙水，淋水較大，這種情況很可能造成無法掘進，最終豎井報廢． 21 號豎井為新施工井，設計井深80 m ，在豎井與石門交匯處( 即馬頭門位置) ，一條寬1． 5 m 的蝕變花崗巖破碎帶與豎井軸線成700 穿過井筒． 該破碎帶蝕變強烈，裂隙水發育，豎井開掘后裂隙水夾雜花崗巖碎塊成流砂涌出，造成豎井嚴重片幫，馬頭門大面積塌方，給施工帶來極大困難．

1． 2 沿脈巷道失穩破壞機理分析

2 － 1、2 － 6、18 號等礦脈產于構造破碎帶中，礦脈單側或兩側圍巖蝕變強烈，斷層較發育． 由于礦脈較窄( 普遍2 m 以下) ，平巷為單一沿脈兼做探礦和運輸巷道，規格為2． 0 m × 2． 0 m 的拱形．從應力場的分布規律可知，沿脈巷道軸線與最大主應力方向近于垂直，容易發生沿脈方向的大面積塌方( 圖4) ;而且礦脈側面的圍巖蝕變破碎帶較寬地段即使巷道( 在平巷寬度方向) 沒有開挖，也要溜幫． 因此，能否保證在采礦完成之前運輸暢通也是圖古日格金礦面臨的重大難題

1． 3 爆破對巖石和結構面的破壞作用分析

爆破使周圍巖石受到的破壞，主要有5 種破壞模式，3個破壞區域( 圖5) ． 5 種破壞模式: 炮孔周圍巖石的壓碎作用; 徑向裂隙作用; 卸載引起的巖石內部環狀裂隙作用; 反射拉伸引起的“片落”; 反射拉伸引起徑向裂隙的延伸; 爆炸氣體擴展應變波所產生的裂隙．爆破對結構面的影響和破壞.

6) ． 結構面指沉積巖

的層面、不整合面、夾層，巖漿巖的流層與圍巖接觸帶和擠壓帶、節理，變質巖的片理面、板理面，構造形成的節理裂隙、劈理、斷層等，以及次生的風化裂隙、泥化類層等等．

2 地下礦山巷道支護設計專家系統

2． 1 輔助方法的建立

以美國Inference 公司所研制的專家系統框架Xi_ Plus 為工具，建立了地下礦山巷道支護設計專家系統，從而為地下礦山巷道支護設計提供了一種經濟實用的輔助方法． 闡述了系統的知識獲取，知識庫的建立及系統的設計． 有效的巷道支護設計通常是將傳統的計算方法與長期巷道支護的實踐經驗結合起來． 據此，研制開發了地下礦山巷道支護設計專家系統． 用于建立該系統的知識、經驗、事實和數據，大多來自國內礦山和西方幾個主要采礦國家的文獻報告、相關論文、研究項目和現場調查; 該系統有5 個知識庫，系統具有十分友好的人機對話界面．

2． 2 知識的獲取

由于專家系統的有效性和實用性完全取決于系統擁有知識( 包括經驗、信息、數據和事實等)

的多少，所以知識獲取是建立專家系統的一個最重要的階段． 本系統所收集到的知識包括巷道圍巖分類、巷道斷面形狀及參數( 包括巷道用途和使用年限等) 、巷道支護方式、巷道成功支護經驗( 或 稱啟發式方法) 和有關現場支護設計參數．

2． 2． 1 巷道圍巖分類

地下礦山的巷道圍巖狀況是巷道支護設計的主要考慮因素，而圍巖的好壞主要決定于組成圍巖的 巖石． 根據圍巖狀況對巷道支護設計的影響，可以將圍巖分為4 類，即堅硬巖石圍巖、中強度巖石圍巖、低強度巖石圍巖和軟弱巖石圍巖．

( 1) 堅硬巖石圍巖． 巖石均質性較好，節理不發育，并且巷道頂板深部的巖體也比較穩定，無碎 石掉落現象．

( 2) 中強度巖石圍巖． 具有較明顯的層狀結構，垂直頂板的節理很少，基本無碎石掉落．

( 3) 低強度巖石圍巖． 圍巖內巖體塊度變化不大，弱面巖體的厚度小于2 ～ 3 cm，主要破碎面之間的距離大于1 m，有碎石掉落現象．

( 4) 軟弱巖石圍巖． 圍巖較破碎，破裂面呈多向性，主要破裂面間距小于1 m，常有碎石掉落．

2． 2． 2 巷道斷面形狀及參數

由于巷道形狀和斷面參數是多種多樣的，為了專家系統研制的方便，該專家系統僅涉及目前礦山 常用的梯形、矩形、拱形、馬蹄形和圓形平巷斷面． 拱形斷面可進一步分為圓弧拱斷面、半圓拱斷 面、三心拱斷面和似橢圓拱斷面． 描述巷道斷面的參數有高度、寬度及使用年限，服務年限在5 a 以上的為永久性使用，服務年限不超過5 a 的為臨時性使用． 圖7 為不同形狀巷道穩定性次序圖． 160 河南理工大學學報( 自然科學版) 2010 年第29 卷

2． 2． 3 巷道支護方式

目前，我國礦山巷道經常采用的支護方式包括木材支架支護、金屬支架支護、磚石砌塊砌璇支護、整體式混凝土支護、錨桿支護和噴錨支護． 不同支護方式的優點、缺點、適用條件及支護作

2． 2． 4 巷道支護啟發式方法

用專家系統進行巷道支護設計，基本上是使用知識和經驗進行推理和判斷來完成的． 在系統開發之前，對收集來的知識和經驗進行分類整理，然后建立知識庫，并編制相應的程序，模擬人類專家進行推理判斷并做出決策． 系統中包括的知識庫有巷道圍巖分類知識庫、巷道形狀及斷面參數知識庫、巷道支護方式知識庫、巷道支護經驗知識庫、巷道支護參數知識庫．

表1 不同支護方式對比支護方式適用條件優點缺點支護作用木架支護地壓較小的塊狀巖石加工方便，架設容易木材消耗大，服務年限短，支撐較小地壓支撐作用金屬支架支護地壓較大的巖體架設方便，承載能力大消耗鋼材多，目前不宜過多使用支撐作用磚石、整體式混凝土支護各種地質條件整體性能好，承壓能力大施工復雜，工序多，材料消耗多承壓和阻止圍巖變形噴射混凝土支護各種類別的圍巖工序簡單，機動靈活，有廣泛適應性不適應膨脹性巖體，凍脹巖體等加固圍巖，與其共同組成承載體錨桿層狀或破碎巖體使用范圍廣，適應性強，節約坑木和鋼材不同錨桿有不同的缺點懸吊、組合梁、加固拱作用．注漿支護各種地質條件新型技術和工藝，使用范圍廣，適應性強在工藝、材料和設備上需創新．膠凝加固作用

2． 3 知識庫的建立

2． 3． 1 專家系統的組成

該系統以專家系統框架Xi_ Plus 為開發工具，Xi_Plus 是由具有自然英語語法的語言和一套用于知識表達和使用的功能組成的( 圖9) ，它同時可以連接運行外部計算機程序如C 語言程序等． 系統中所包含的幾個關鍵部分描述如下．

( 1) 知識庫． 知識庫是專家系統的核心部分，包含從研究領域中收集來的知識、經驗、信息、數據、規則、事實和解決問題的方法步驟等內容．

( 2) 推理機． 推理機由一些推理規則和原理組成． Xi_ Plus 中的推理機不僅可以正向推理和逆向推理，而且也可以用正、逆向相結合的方式推理． 當運行專家系統時，推理機的工作順序是: 將知識庫中的信息和用戶提供的原始信息進行比較，尋找求解問題的目的或是因果關系，對有關的信息、數據和事實進行評價，給出問題的求解方案．

( 3) 工作內存． 用于系統運行期間存儲用戶所提供的信息、系統運行過程中所得到的中間結論和 增刊王俊生: 松軟破碎巖層巷道的掘進與支護161最終結果，以及系統在任一時刻所使用的推理方法和推理過程，它通常能夠為用戶提供有關系統運行的額外信息，例如對推理過程的解釋等． ( 4) 用戶界面． 用戶界面主要用于用戶和系統之間的信息交換． 當系統運行時，通過用戶界面去操縱推理機，進一步去運行知識庫． Xi_ Plus 提供了一個非常友好的用戶界面，對于根本不懂計算機的用戶來說，也可以運行已完成的專家系統．

2． 3． 2 系統設計

該系統中有知識庫5 個，系統設計按照推理判斷過程共分為3 個層次，即決策層、判斷層和原始 條件層． 系統設計及知識庫間決策控制轉移決策層控制判斷層的執行，而判斷層的執行又需要從原始條件層獲得信息和有關數據，原始條件層中包含了影響巷道支護設計的因素和信息．

3 小斷面超前光面爆破掘進工藝由專家系統豎井斷面為圓形，平巷斷面為半圓拱或圓弧拱，且遇到松軟破碎巖層掘進時采用小斷面超前光面爆破掘進． 當前，許多礦山遇到不穩固礦巖段，采用繞道的方法通過． 但繞道成本太高，不利于探礦，有時會造成大量丟礦． 況且，一些重要工程位置一旦確定后，施工過程中遇到松軟破碎巖層也不可能繞道． 生產實踐證明，圖古日格金礦部分礦體地段巷道掘進采用普通光面爆破工藝( 圖11) ，無法避免發生片幫、冒頂． 于是，研究采用的小斷面超前光面爆破掘進工藝，不但進一步降低了爆破震動對圍巖的不利影響，更主要的是通過小斷面超前，遇到非常松軟破碎巖段則采用非爆破方法開挖到巷道邊界，將巷道周邊圍巖的破壞程度降低到最小． 這一爆破工藝的特點是: 斷面分兩次形成，第一次按小斷面布孔鑿巖和爆破( 圖12 中的陰影部分) ，第二次按成巷斷面布置周邊孔起爆光爆層或采用非爆破方法開挖到巷道邊界． 形成小斷面后，根據小斷面超前成巷的成巷條件和礦巖性質具體布置光面爆破層的周邊眼或采用非爆破方法掘進成巷，是確保這一工藝達到預期效果的關鍵． 一般原則是: 小斷面成巷規整時按設計要求布孔; 小斷面發生少量片幫冒頂時，則在片幫冒頂處將周邊眼孔距加大; 若片幫冒頂超過50%，則采用風鎬等非爆破方法將巷道掘進至設計邊界．

4 噴、澆、錨、網與注漿聯合支護工藝

巷道掘進遇到松軟破碎巖層，采用目前常用的木架、單一錨桿、噴漿等支護方法難以奏效，如圖 13 所示． 專家系統采用噴、澆、錨、網與壁后注漿聯合支護的工藝，取得了預期效果． 其過程為: 在巷道開挖后立即噴射一層30 ～ 50 mm 厚的混凝土進行臨時支護; 待巷道基本穩定后，進行整體澆灌鋼筋混凝土永久支護; 再用錨桿和鋼筋網加強支護; 最后進行壁后注漿加固支護． 這種聯合支護方

162 河南理工大學學報( 自然科學版) 2010 年第29 卷式充分合理地發揮了臨時支護的讓壓作用，永久支護的高承壓作用，錨桿金屬網的組合支護作用和注漿膠凝加固作用． 其中，注漿膠凝加固是這一支護方式最有成效的重要方面，它使各種支護方式最終構成一個統一的聯合承壓整體． 特別是在已出現過的冒頂或礦巖松軟破碎地段，噴漿料只能暫時封閉巷道圍巖表面裂隙和冒落的松散巖塊; 當巷道受到爆破震動等引起應力集中作用時，松動圈將增大，圈內巖體將脫離原巖體成為松散體，圍巖松動會進一步加深，使錨桿失去支護作用，澆灌的混凝土成為一個孤立的支護體; 對噴、澆、錨、網支護后的巷道進行注漿支護后，注漿漿液將松散巖塊和巷道圍巖中的裂隙充填、膠結起來，使其成為具有承壓作用的抗壓結構體( 圖14) ．具體技術參考數據為: 噴射混凝土厚度為30 ～ 50 mm ，配比為水泥∶ 砂子∶ 石子= 1 ∶ 2 ∶ 2，水灰比為0． 45 ～ 0． 50;澆灌鋼筋混凝土厚度300 mm ，混凝土配合比為水泥∶ 砂子∶ 石子= 1 ∶2． 7 ∶ 4，水灰比為0． 50，采用直徑10 mm 的鋼筋，鋼筋排列間距為500 mm; 采用管縫式，長2． 0 m，錨桿網度1 000 mm× 1 000 mm，梅花形排列; 條網為直徑12 mm 的鋼筋，成對橫向布置，用鋼板焊接，排距同錨桿一致．

5 結論

( 1) 建立地下礦山巷道支護

設計專家系統，將有關巷道掘進和

支護的所有知識及傳統的計算方法

進行組合并且與長期巷道支護的實踐經驗結合起來，從而為地下礦山巷道支護設計提供一種經濟實用的輔助方法．

( 2) 小斷面超前光面爆破掘進工藝，不但進一步降低了爆破震動對圍巖的不利影響，更主要的 是通過小斷面超前，遇到非常松軟破碎巖段則采用非爆破方法開挖到巷道邊界，將巷道周邊圍巖的破壞程度降低到最小．

( 3) 整體澆灌、錨噴網與注漿聯合支護，是在松軟破碎巖層支護服務年限長、承受應力大的巷 道的有效方法，特別是注漿支護大幅度提高了破碎巖層的整體承壓能力，使各種支護體和圍巖成為一個統一的整體承載結構． 目前，SJ1 和SJ21 已正常掘進和采礦．