松軟破碎巖層巷道的掘進(jìn)與支護(hù)

      地構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)，屬內(nèi)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(gòu)造線為北東 向，受該褶皺帶上的兩條次級(jí)斷裂控制; 出露地層為下元古界寶音圖群( Pt1by) ，巖漿活動(dòng)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(zhǎng)玢巖脈、閃長(zhǎng)玢巖脈和石英二長(zhǎng)巖脈．號(hào)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?yōu)榈湫偷闹袦責(zé)嵋何g變類型，并且圍巖巖體內(nèi)裂隙較發(fā)育( 圖2) ． 礦巖屬不穩(wěn)固巖體，個(gè)別地段極不穩(wěn)固，采用常規(guī)的巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)難以通過(guò)該地段，通常是采礦所必需的采準(zhǔn)、切割工程還沒(méi)完工，先期開(kāi)掘的巷道就垮塌了; 因此，研究松軟破碎巖層巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)，是礦山開(kāi)拓、開(kāi)采首先需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一． 而利用地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)作為輔助方法，采用小段面超前光面爆破掘進(jìn)工藝，以及整體澆灌、錨噴網(wǎng)與注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，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(jìn)提供了可靠的保證．

1 巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理巷道圍巖的穩(wěn)定性受多種復(fù)雜因素影響，其中主要受巖體

結(jié)構(gòu)特征和巖體所處的力學(xué)狀態(tài)影響與控制，前者是決定巖體穩(wěn)定性的地學(xué)基礎(chǔ)，后者是決定巖體穩(wěn)定性與否的必要條件．

1． 1 豎井失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

圖古日格金礦SJ1 和SJ21 均為矩形斷面，凈斷面規(guī)格2． 0m × 2． 6m． 1 號(hào)豎井布置在礦體下盤地表移動(dòng)帶之外20 m 處的閃長(zhǎng)巖體中，21 號(hào)豎井在花崗巖體中．從應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律可知，矩形斷面應(yīng)力最不均勻，最大主應(yīng)力方向?yàn)榫匦蔚膶?duì)角線方向( 圖3) ． 1 號(hào)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(lái)的兩組小斷裂正好通過(guò)井筒，與井筒最大主應(yīng)力方向一致，并且斷裂之間及兩側(cè)發(fā)育許多小裂隙，致使井筒大面積溜幫、掉塊嚴(yán)重，且井筒內(nèi)發(fā)育有裂隙水，淋水較大，這種情況很可能造成無(wú)法掘進(jìn)，最終豎井報(bào)廢． 21 號(hào)豎井為新施工井，設(shè)計(jì)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(guò)井筒． 該破碎帶蝕變強(qiáng)烈，裂隙水發(fā)育，豎井開(kāi)掘后裂隙水夾雜花崗巖碎塊成流砂涌出，造成豎井嚴(yán)重片幫，馬頭門大面積塌方，給施工帶來(lái)極大困難．

1． 2 沿脈巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

2 － 1、2 － 6、18 號(hào)等礦脈產(chǎn)于構(gòu)造破碎帶中，礦脈單側(cè)或兩側(cè)圍巖蝕變強(qiáng)烈，斷層較發(fā)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(yùn)輸巷道，規(guī)格為2． 0 m × 2． 0 m 的拱形．從應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律可知，沿脈巷道軸線與最大主應(yīng)力方向近于垂直，容易發(fā)生沿脈方向的大面積塌方( 圖4) ;而且礦脈側(cè)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(méi)有開(kāi)挖，也要溜幫． 因此，能否保證在采礦完成之前運(yùn)輸暢通也是圖古日格金礦面臨的重大難題

1． 3 爆破對(duì)巖石和結(jié)構(gòu)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(gè)破壞區(qū)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(nèi)部環(huán)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(kuò)展應(yīng)變波所產(chǎn)生的裂隙．爆破對(duì)結(jié)構(gòu)面的影響和破壞.

6) ． 結(jié)構(gòu)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(jié)理，變質(zhì)巖的片理面、板理面，構(gòu)造形成的節(jié)理裂隙、劈理、斷層等，以及次生的風(fēng)化裂隙、泥化類層等等．

2 地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

2． 1 輔助方法的建立

以美國(guó)Inference 公司所研制的專家系統(tǒng)框架Xi_ Plus 為工具，建立了地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，從而為地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的輔助方法． 闡述了系統(tǒng)的知識(shí)獲取，知識(shí)庫(kù)的建立及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)． 有效的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)通常是將傳統(tǒng)的計(jì)算方法與長(zhǎng)期巷道支護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)． 據(jù)此，研制開(kāi)發(fā)了地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)． 用于建立該系統(tǒng)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、事實(shí)和數(shù)據(jù)，大多來(lái)自國(guó)內(nèi)礦山和西方幾個(gè)主要采礦國(guó)家的文獻(xiàn)報(bào)告、相關(guān)論文、研究項(xiàng)目和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查; 該系統(tǒng)有5 個(gè)知識(shí)庫(kù)，系統(tǒng)具有十分友好的人機(jī)對(duì)話界面．

2． 2 知識(shí)的獲取

由于專家系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性完全取決于系統(tǒng)擁有知識(shí)( 包括經(jīng)驗(yàn)、信息、數(shù)據(jù)和事實(shí)等)

的多少，所以知識(shí)獲取是建立專家系統(tǒng)的一個(gè)最重要的階段． 本系統(tǒng)所收集到的知識(shí)包括巷道圍巖分類、巷道斷面形狀及參數(shù)( 包括巷道用途和使用年限等) 、巷道支護(hù)方式、巷道成功支護(hù)經(jīng)驗(yàn)( 或 稱啟發(fā)式方法) 和有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)．

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(hù)設(shè)計(jì)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(jù)圍巖狀況對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的影響，可以將圍巖分為4 類，即堅(jiān)硬巖石圍巖、中強(qiáng)度巖石圍巖、低強(qiáng)度巖石圍巖和軟弱巖石圍巖．

( 1) 堅(jiān)硬巖石圍巖． 巖石均質(zhì)性較好，節(jié)理不發(fā)育，并且巷道頂板深部的巖體也比較穩(wěn)定，無(wú)碎 石掉落現(xiàn)象．

( 2) 中強(qiáng)度巖石圍巖． 具有較明顯的層狀結(jié)構(gòu)，垂直頂板的節(jié)理很少，基本無(wú)碎石掉落．

( 3) 低強(qiáng)度巖石圍巖． 圍巖內(nèi)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(xiàn)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(shù)

由于巷道形狀和斷面參數(shù)是多種多樣的，為了專家系統(tǒng)研制的方便，該專家系統(tǒng)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(jìn)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(shù)有高度、寬度及使用年限，服務(wù)年限在5 a 以上的為永久性使用，服務(wù)年限不超過(guò)5 a 的為臨時(shí)性使用． 圖7 為不同形狀巷道穩(wěn)定性次序圖． 160 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) 2010 年第29 卷

2． 2． 3 巷道支護(hù)方式

目前，我國(guó)礦山巷道經(jīng)常采用的支護(hù)方式包括木材支架支護(hù)、金屬支架支護(hù)、磚石砌塊砌璇支護(hù)、整體式混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)和噴錨支護(hù)． 不同支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、適用條件及支護(hù)作

2． 2． 4 巷道支護(hù)啟發(fā)式方法

用專家系統(tǒng)進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，基本上是使用知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷來(lái)完成的． 在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之前，對(duì)收集來(lái)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分類整理，然后建立知識(shí)庫(kù)，并編制相應(yīng)的程序，模擬人類專家進(jìn)行推理判斷并做出決策． 系統(tǒng)中包括的知識(shí)庫(kù)有巷道圍巖分類知識(shí)庫(kù)、巷道形狀及斷面參數(shù)知識(shí)庫(kù)、巷道支護(hù)方式知識(shí)庫(kù)、巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、巷道支護(hù)參數(shù)知識(shí)庫(kù)．

表1 不同支護(hù)方式對(duì)比支護(hù)方式適用條件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)支護(hù)作用木架支護(hù)地壓較小的塊狀巖石加工方便，架設(shè)容易木材消耗大，服務(wù)年限短，支撐較小地壓支撐作用金屬支架支護(hù)地壓較大的巖體架設(shè)方便，承載能力大消耗鋼材多，目前不宜過(guò)多使用支撐作用磚石、整體式混凝土支護(hù)各種地質(zhì)條件整體性能好，承壓能力大施工復(fù)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(hù)各種類別的圍巖工序簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，有廣泛適應(yīng)性不適應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)，節(jié)約坑木和鋼材不同錨桿有不同的缺點(diǎn)懸吊、組合梁、加固拱作用．注漿支護(hù)各種地質(zhì)條件新型技術(shù)和工藝，使用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)在工藝、材料和設(shè)備上需創(chuàng)新．膠凝加固作用

2． 3 知識(shí)庫(kù)的建立

2． 3． 1 專家系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)以專家系統(tǒng)框架Xi_ Plus 為開(kāi)發(fā)工具，Xi_Plus 是由具有自然英語(yǔ)語(yǔ)法的語(yǔ)言和一套用于知識(shí)表達(dá)和使用的功能組成的( 圖9) ，它同時(shí)可以連接運(yùn)行外部計(jì)算機(jī)程序如C 語(yǔ)言程序等． 系統(tǒng)中所包含的幾個(gè)關(guān)鍵部分描述如下．

( 1) 知識(shí)庫(kù)． 知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心部分，包含從研究領(lǐng)域中收集來(lái)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、信息、數(shù)據(jù)、規(guī)則、事實(shí)和解決問(wèn)題的方法步驟等內(nèi)容．

( 2) 推理機(jī)． 推理機(jī)由一些推理規(guī)則和原理組成． Xi_ Plus 中的推理機(jī)不僅可以正向推理和逆向推理，而且也可以用正、逆向相結(jié)合的方式推理． 當(dāng)運(yùn)行專家系統(tǒng)時(shí)，推理機(jī)的工作順序是: 將知識(shí)庫(kù)中的信息和用戶提供的原始信息進(jìn)行比較，尋找求解問(wèn)題的目的或是因果關(guān)系，對(duì)有關(guān)的信息、數(shù)據(jù)和事實(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出問(wèn)題的求解方案．

( 3) 工作內(nèi)存． 用于系統(tǒng)運(yùn)行期間存儲(chǔ)用戶所提供的信息、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所得到的中間結(jié)論和 增刊王俊生: 松軟破碎巖層巷道的掘進(jìn)與支護(hù)161最終結(jié)果，以及系統(tǒng)在任一時(shí)刻所使用的推理方法和推理過(guò)程，它通常能夠?yàn)橛脩籼峁┯嘘P(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的額外信息，例如對(duì)推理過(guò)程的解釋等． ( 4) 用戶界面． 用戶界面主要用于用戶和系統(tǒng)之間的信息交換． 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)用戶界面去操縱推理機(jī)，進(jìn)一步去運(yùn)行知識(shí)庫(kù)． Xi_ Plus 提供了一個(gè)非常友好的用戶界面，對(duì)于根本不懂計(jì)算機(jī)的用戶來(lái)說(shuō)，也可以運(yùn)行已完成的專家系統(tǒng)．

2． 3． 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中有知識(shí)庫(kù)5 個(gè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照推理判斷過(guò)程共分為3 個(gè)層次，即決策層、判斷層和原始 條件層． 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及知識(shí)庫(kù)間決策控制轉(zhuǎn)移決策層控制判斷層的執(zhí)行，而判斷層的執(zhí)行又需要從原始條件層獲得信息和有關(guān)數(shù)據(jù)，原始條件層中包含了影響巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的因素和信息．

3 小斷面超前光面爆破掘進(jìn)工藝由專家系統(tǒng)豎井?dāng)嗝鏋閳A形，平巷斷面為半圓拱或圓弧拱，且遇到松軟破碎巖層掘進(jìn)時(shí)采用小斷面超前光面爆破掘進(jìn)． 當(dāng)前，許多礦山遇到不穩(wěn)固礦巖段，采用繞道的方法通過(guò)． 但繞道成本太高，不利于探礦，有時(shí)會(huì)造成大量丟礦． 況且，一些重要工程位置一旦確定后，施工過(guò)程中遇到松軟破碎巖層也不可能繞道． 生產(chǎn)實(shí)踐證明，圖古日格金礦部分礦體地段巷道掘進(jìn)采用普通光面爆破工藝( 圖11) ，無(wú)法避免發(fā)生片幫、冒頂． 于是，研究采用的小斷面超前光面爆破掘進(jìn)工藝，不但進(jìn)一步降低了爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的不利影響，更主要的是通過(guò)小斷面超前，遇到非常松軟破碎巖段則采用非爆破方法開(kāi)挖到巷道邊界，將巷道周邊圍巖的破壞程度降低到最?。?這一爆破工藝的特點(diǎn)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(kāi)挖到巷道邊界． 形成小斷面后，根據(jù)小斷面超前成巷的成巷條件和礦巖性質(zhì)具體布置光面爆破層的周邊眼或采用非爆破方法掘進(jìn)成巷，是確保這一工藝達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵． 一般原則是: 小斷面成巷規(guī)整時(shí)按設(shè)計(jì)要求布孔; 小斷面發(fā)生少量片幫冒頂時(shí)，則在片幫冒頂處將周邊眼孔距加大; 若片幫冒頂超過(guò)50%，則采用風(fēng)鎬等非爆破方法將巷道掘進(jìn)至設(shè)計(jì)邊界．

4 噴、澆、錨、網(wǎng)與注漿聯(lián)合支護(hù)工藝

巷道掘進(jìn)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(hù)方法難以奏效，如圖 13 所示． 專家系統(tǒng)采用噴、澆、錨、網(wǎng)與壁后注漿聯(lián)合支護(hù)的工藝，取得了預(yù)期效果． 其過(guò)程為: 在巷道開(kāi)挖后立即噴射一層30 ～ 50 mm 厚的混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù); 待巷道基本穩(wěn)定后，進(jìn)行整體澆灌鋼筋混凝土永久支護(hù); 再用錨桿和鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù); 最后進(jìn)行壁后注漿加固支護(hù)． 這種聯(lián)合支護(hù)方

162 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) 2010 年第29 卷式充分合理地發(fā)揮了臨時(shí)支護(hù)的讓壓作用，永久支護(hù)的高承壓作用，錨桿金屬網(wǎng)的組合支護(hù)作用和注漿膠凝加固作用． 其中，注漿膠凝加固是這一支護(hù)方式最有成效的重要方面，它使各種支護(hù)方式最終構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的聯(lián)合承壓整體． 特別是在已出現(xiàn)過(guò)的冒頂或礦巖松軟破碎地段，噴漿料只能暫時(shí)封閉巷道圍巖表面裂隙和冒落的松散巖塊; 當(dāng)巷道受到爆破震動(dòng)等引起應(yīng)力集中作用時(shí)，松動(dòng)圈將增大，圈內(nèi)巖體將脫離原巖體成為松散體，圍巖松動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加深，使錨桿失去支護(hù)作用，澆灌的混凝土成為一個(gè)孤立的支護(hù)體; 對(duì)噴、澆、錨、網(wǎng)支護(hù)后的巷道進(jìn)行注漿支護(hù)后，注漿漿液將松散巖塊和巷道圍巖中的裂隙充填、膠結(jié)起來(lái)，使其成為具有承壓作用的抗壓結(jié)構(gòu)體( 圖14) ．具體技術(shù)參考數(shù)據(jù)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(zhǎng)2． 0 m，錨桿網(wǎng)度1 000 mm× 1 000 mm，梅花形排列; 條網(wǎng)為直徑12 mm 的鋼筋，成對(duì)橫向布置，用鋼板焊接，排距同錨桿一致．

5 結(jié)論

( 1) 建立地下礦山巷道支護(hù)

設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，將有關(guān)巷道掘進(jìn)和

支護(hù)的所有知識(shí)及傳統(tǒng)的計(jì)算方法

進(jìn)行組合并且與長(zhǎng)期巷道支護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，從而為地下礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的輔助方法．

( 2) 小斷面超前光面爆破掘進(jìn)工藝，不但進(jìn)一步降低了爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的不利影響，更主要的 是通過(guò)小斷面超前，遇到非常松軟破碎巖段則采用非爆破方法開(kāi)挖到巷道邊界，將巷道周邊圍巖的破壞程度降低到最?。?/p>

( 3) 整體澆灌、錨噴網(wǎng)與注漿聯(lián)合支護(hù)，是在松軟破碎巖層支護(hù)服務(wù)年限長(zhǎng)、承受應(yīng)力大的巷 道的有效方法，特別是注漿支護(hù)大幅度提高了破碎巖層的整體承壓能力，使各種支護(hù)體和圍巖成為一個(gè)統(tǒng)一的整體承載結(jié)構(gòu)． 目前，SJ1 和SJ21 已正常掘進(jìn)和采礦．