基于Q系統(tǒng)的某銅礦巷道分級(jí)支護(hù)技術(shù)及工程應(yīng)用

高忠 王明 唐紹輝 林凌旺 譚偉 巫雨田

摘要：合理的支護(hù)方式是控制巷道穩(wěn)定和變形的重要手段之一，而工程巖體質(zhì)量評價(jià)是確定合理支護(hù)方案的重要依據(jù)。針對某銅礦存在的支護(hù)方式單一、支護(hù)效率低、支護(hù)成本較高的問題，采用Q系統(tǒng)和RMR法對該礦山4個(gè)工程巖組進(jìn)行了巖體質(zhì)量分級(jí)?；赒系統(tǒng)支護(hù)圖，并結(jié)合礦山支護(hù)工藝、施工條件等因素，制定和優(yōu)化了分級(jí)支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù);利用RMR法的不支護(hù)巖體自穩(wěn)時(shí)間，量化了合理的支護(hù)時(shí)間，從而指導(dǎo)現(xiàn)場支護(hù)施工。工程實(shí)踐結(jié)果表明：制定的分級(jí)支護(hù)方案效果好，不僅滿足了巷道安全要求，提高了施工效率，同時(shí)可降低支護(hù)費(fèi)用200萬～300萬元/a。

關(guān)鍵詞：Q系統(tǒng);巖體分級(jí);分級(jí)支護(hù);巷道穩(wěn)定性;支護(hù)時(shí)間;安全高效

中圖分類號(hào)：TD353文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）03-0032-05doi：10.11792/hj20210306

引言

在礦山地下開采中，巷道的穩(wěn)定性是影響礦山建設(shè)及安全運(yùn)營的重要因素，合理的支護(hù)方案是保證成功的關(guān)鍵，而工程巖體質(zhì)量評價(jià)是確定合理支護(hù)設(shè)計(jì)方案的重要依據(jù)[1-2]。通過巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果，結(jié)合巷道類型、用途等因素制定合理的支護(hù)方案，滿足巷道安全要求，保障礦山生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

然而，在多數(shù)礦山實(shí)際應(yīng)用中，不區(qū)分巷道類型均采用一種支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，支護(hù)類型與參數(shù)也是參考類似礦山和工程實(shí)踐，未能隨著圍巖及巷道類型變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，單一的支護(hù)設(shè)計(jì)存在不足。此外，傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)采用松動(dòng)圈理論、懸吊法等方法[3-4]，未考慮圍巖性質(zhì)、巷道類型、服務(wù)期限等，很難合理選擇支護(hù)參數(shù)。

Q系統(tǒng)和RMR法分類是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的巖體分級(jí)系統(tǒng)之一，它們都是基于工程類比法提供不同圍巖質(zhì)量等級(jí)下不同規(guī)格巷道相對應(yīng)的支護(hù)類型和支護(hù)時(shí)間[5-6]。本文以某銅礦為例，依據(jù)Q系統(tǒng)和RMR法進(jìn)行分級(jí)支護(hù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合礦山支護(hù)工藝及施工技術(shù)條件等因素，優(yōu)化分級(jí)支護(hù)類型和支護(hù)參數(shù)，在確保安全和施工高效的前提下，確定合理的分級(jí)支護(hù)方案和支護(hù)時(shí)間，從而正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

1工程概況

某銅礦主要地下開采100～-100m銅礦體，采用大直徑深孔階段空場充填采礦法。銅礦床裂隙發(fā)育程度較弱，礦體穩(wěn)定性較好。礦體頂?shù)装鍑鷰r為中細(xì)粒花崗巖，局部為風(fēng)化花崗巖。英安玢巖為局部侵入巖體，主要分布在礦體東翼，橫切礦體，該巖體裂隙較為發(fā)育、微風(fēng)化、穩(wěn)定性較差。

礦山巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，一掘一支。采用長1.8m的管縫式錨桿，間排距1.0m×1.0m。現(xiàn)行支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)較為單一，未按巷道服務(wù)期限、影響程度、斷面跨度及所通過的工程巖體質(zhì)量制定分級(jí)支護(hù)方案。實(shí)踐過程中，部分服務(wù)年限較短、巖性較好的巷道存在過度支護(hù)的情況，導(dǎo)致施工效率下降、成本上升，因此有必要進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方式和參數(shù)。

2Q系統(tǒng)及支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1Q系統(tǒng)

1）Q系統(tǒng)。Q系統(tǒng)是Barton等人于1974年提出的巖體質(zhì)量分類方法[7]，它主要考慮了巖體完整性、節(jié)理特性、地下水和地應(yīng)力影響，將定性分析、定量評價(jià)相結(jié)合，是目前比較好的巖體分類方法，其分類指標(biāo)值通過式（1）確定。基于Q值的巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù);Ja為節(jié)理蝕變度系數(shù);Jw為節(jié)理滲水折減系數(shù);kSRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

2）開挖支護(hù)比。除Q值外，安全要求和斷面規(guī)格對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)也起到?jīng)Q定性作用。安全要求取決于巷道的用途，如礦山永久巷道比采準(zhǔn)巷道或臨時(shí)巷道的安全要求更高;斷面規(guī)格指巷道的跨度和高度，通常來講，隨著巷道的跨度或高度增大，支護(hù)要求也將增加。為表達(dá)安全要求，引入了開挖支護(hù)比fESR。

2021年第3期/第42卷采礦工程采礦工程黃金

硐室最大無支護(hù)跨度（bSPAN）與Q值、開挖支護(hù)比（fESR）的關(guān)系如下[8]：

bSPAN=2Q 0.66=2fESRQ 0.4（2）

開挖支護(hù)比與巷道的用途、安全要求有關(guān)。根據(jù)Barton（1976）的建議，fESR的取值見表2。

結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，本次支護(hù)設(shè)計(jì)開挖支護(hù)比取值原則：①開拓巷道，包括主運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、充填巷、通風(fēng)巷等，作為礦山永久性工程，fESR取1.6;②采準(zhǔn)巷道，包括大孔鑿巖巷及其聯(lián)巷、出礦巷道、裝礦進(jìn)路等，根據(jù)巷道功能和服務(wù)時(shí)間，fESR取2.0。

2.2Q系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)

基于Q系統(tǒng)支護(hù)對1050個(gè)公路隧洞和440個(gè)水電隧洞工程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了不同圍巖質(zhì)量等級(jí)相對應(yīng)的支護(hù)類型[6，9]。根據(jù)Q值進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)巷道設(shè)計(jì)與施工，Q系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。

3分級(jí)支護(hù)

3.1工程地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)礦山實(shí)際情況，該銅礦礦體及周邊巖體可劃分為4個(gè)主要工程巖組：

1）中細(xì)?；◢弾r。中細(xì)?；◢弾r為礦體的主要圍巖，分布于礦體的上下盤。該巖組內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖組大部分為剪節(jié)理;大多數(shù)節(jié)理閉合，充填物主要為硬質(zhì)方解石。大多數(shù)節(jié)理面平直微粗糙、微風(fēng)化，節(jié)理面基本為潮濕。結(jié)構(gòu)面延伸長度一般為3～10m，節(jié)理間距10～35cm，平均體積節(jié)理密度（JV）為13.48條/m 3。該巖組有2組主要節(jié)理，產(chǎn)狀分別為33°∠45°，335°∠74°。巖石抗壓強(qiáng)度50.27MPa。

2）風(fēng)化花崗巖。風(fēng)化花崗巖為礦體局部圍巖，內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理大部分為交錯(cuò)節(jié)理且多為剪節(jié)理、部分為張節(jié)理，張開度小于5mm，并伴有黃色軟質(zhì)充填物。大多數(shù)節(jié)理面為平直狀、粗糙、微風(fēng)化，基本為較潮濕。結(jié)構(gòu)面延伸長度一般為1～3m，節(jié)理間距5～20cm，平均體積節(jié)理密度為23.25條/m 3。巖石抗壓強(qiáng)度26.10MPa。

3）礦體。該巖組內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理大部分為層理且多為剪節(jié)理，無張節(jié)理，大多數(shù)節(jié)理閉合，無充填物。大多數(shù)節(jié)理面為波浪狀起伏、很粗糙、微風(fēng)化，部分節(jié)理面平直，節(jié)理面基本為較干燥。結(jié)構(gòu)面延伸長度一般為1～3m，節(jié)理間距15～50cm，平均體積節(jié)理密度為15.51條/m 3。該巖組有2組主要節(jié)理，產(chǎn)狀分別為159°∠56°，285°∠81°。巖石抗壓強(qiáng)度為66.10MPa。

4）英安玢巖。英安玢巖主要為侵入巖體，多為剪節(jié)理、少張節(jié)理，多數(shù)節(jié)理張開度小于5mm，并伴有黃色硬質(zhì)充填物。大多數(shù)節(jié)理面平直微平滑、微風(fēng)化，部分節(jié)理面呈波伏狀，節(jié)理面基本為潮濕—較干燥。結(jié)構(gòu)面延伸長度一般為3～10m，節(jié)理間距5～25cm，平均體積節(jié)理密度為20.01條/m 3。該巖組主要有3組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為109°∠79°，136°∠38°，30°∠50°。巖石抗壓強(qiáng)度為29.03MPa。

3.2巖體質(zhì)量評價(jià)

1）RQD值。由于礦山前期RQD相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料缺失，本次Q系統(tǒng)中的RQD值依據(jù)Palmstrom給出的體積節(jié)理密度與體積RQD之間的相關(guān)關(guān)系[8]為：

RQD=115-3.3JV（3）

經(jīng)計(jì)算，中細(xì)?；◢弾rRQD值為70.5%，風(fēng)化花崗巖RQD值為38.3%，礦體RQD值為63.8%，英安玢巖RQD值為49.0%。

2）Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量評價(jià)。該礦山巷道主要通過4組工程巖組，根據(jù)式（1）計(jì)算得出該礦山各巖組的Q系統(tǒng)評分值，見表3。中細(xì)?；◢弾r和礦體為Ⅳ級(jí)巖體，屬于差等級(jí);風(fēng)化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級(jí)巖體，屬于很差等級(jí)。

3）RMR法巖體質(zhì)量評價(jià)。RMR法是包含節(jié)理的狀態(tài)和產(chǎn)狀、RQD值、地下水等因素在內(nèi)的巖體評分評價(jià)方法。依據(jù)RMR法巖體評分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合前期工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該銅礦主要巖體的RMR法評價(jià)結(jié)果見表4。

3.3.2支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在Q系統(tǒng)巖體分級(jí)中沒有考慮巖石強(qiáng)度、井下采場長期爆破振動(dòng)對圍巖Q值降低的影響，同時(shí)由于工程地質(zhì)條件的多變性和實(shí)際工況的復(fù)雜性，在應(yīng)用Q系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合巷道用途、分類等級(jí)、現(xiàn)場施工設(shè)備及條件等因素，對Q系統(tǒng)建議的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

1）支護(hù)類型。風(fēng)化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級(jí)巖體，支護(hù)類型為錨網(wǎng)噴，不需要優(yōu)化。中細(xì)?；◢弾r、礦體為Ⅳ級(jí)巖體，受爆破震動(dòng)、服務(wù)期限等因素影響，經(jīng)過此類巖體的巷道支護(hù)類型需要進(jìn)行優(yōu)化。

永久巷道的錨桿支護(hù)優(yōu)化為錨噴支護(hù)。主運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷道等永久工程作為行人和運(yùn)輸?shù)妊屎硗ǖ?，長期受采場開采擾動(dòng)的次生應(yīng)力場和爆破震動(dòng)影響，巷道圍巖會(huì)變形、松動(dòng)，采用錨噴支護(hù)，錨桿起到了對巖體的加固作用，混凝土噴層與圍巖緊密貼合，防止圍巖的松動(dòng)和坍塌。

采準(zhǔn)巷道的錨桿支護(hù)優(yōu)化為錨網(wǎng)支護(hù)。采準(zhǔn)巷道服務(wù)期限短，受采場爆破震動(dòng)影響，巷道頂板浮石較多，若采用單一錨桿支護(hù)，每次作業(yè)前都要進(jìn)行撬毛作業(yè)，影響作業(yè)效率，同時(shí)也存在潛在安全隱患。優(yōu)化為錨網(wǎng)支護(hù)后，支護(hù)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)兜”作用，防止巖塊掉落。

2）支護(hù)參數(shù)。

（1）錨桿長度。本次Q系統(tǒng)支護(hù)建議中的錨桿長度有1.5m、1.6m、1.8m3種類型，綜合考慮錨桿臺(tái)車鉆桿長度、安全因數(shù)及現(xiàn)場作業(yè)施工方便性，錨桿長度統(tǒng)一選擇1.8m。

（2）錨桿間排距。原設(shè)計(jì)錨桿間排距為1.0m×1.0m，現(xiàn)場掘進(jìn)采用鑿巖臺(tái)車，一次掘進(jìn)3.0m;支護(hù)采用錨桿臺(tái)車，大網(wǎng)片鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3.0m×2.4m。綜合考慮巷道進(jìn)尺、網(wǎng)片搭接、現(xiàn)場支護(hù)作業(yè)等因素，錨桿間排距調(diào)整為1.2m×1.0m。

優(yōu)化后的分級(jí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案見表6。

3.4合理支護(hù)時(shí)間

1）RMR法不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間。RMR法不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間為巷道掘進(jìn)后不支護(hù)情況下從初始穩(wěn)定至發(fā)生坍塌的時(shí)間。合理評價(jià)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間，對支護(hù)施工有著非常重要的意義。

基于RMR法建立各個(gè)級(jí)別巖體與不同跨度條件下圍巖自穩(wěn)時(shí)間的關(guān)系[10]（見圖2），使工程人員根據(jù)巖體的工程類別，預(yù)估巷道不支護(hù)而維持穩(wěn)定的時(shí)間，以便合理地安排施工程序。

圖2圍巖不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間

2）合理支護(hù)時(shí)間。根據(jù)表4中RMR法巖體評分值，結(jié)合巷道跨度，通過圖2可以預(yù)估不同跨度巷道不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間，結(jié)果見表7。

為確保生產(chǎn)安全，本次巷道圍巖自穩(wěn)能力取小值。綜合考慮RMR法不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間、現(xiàn)場施工技術(shù)條件和以往施工經(jīng)驗(yàn)，推薦的合理支護(hù)時(shí)間見表8。

4工程實(shí)踐

4.1現(xiàn)場試驗(yàn)

大孔采場底部結(jié)構(gòu)出礦巷道為采準(zhǔn)巷道，是采場本次選擇0m中段6 #大孔采場出礦巷道進(jìn)行現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)，該段區(qū)域巖體為中細(xì)?；◢弾r和礦體，根據(jù)分級(jí)支護(hù)方案，采用錨網(wǎng)支護(hù)，兩掘一支。采用40mm的管縫式錨桿（1.8m），間排距為1.2m×1.0m;鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3.0m×2.4m，采用3張大網(wǎng)片豎向敷設(shè)。經(jīng)過3個(gè)月的現(xiàn)場觀察，巷道沒有出現(xiàn)大的變形，總體保持穩(wěn)定（見圖3），說明分級(jí)支護(hù)方案可靠，滿足了現(xiàn)場安全和生產(chǎn)要求。

4.2支護(hù)成本

原支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，支護(hù)綜合成本為2213.5元/m。優(yōu)化后的分級(jí)支護(hù)中，Ⅴ級(jí)圍巖仍采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，支護(hù)綜合成本不變。Ⅳ級(jí)圍巖永久類和采準(zhǔn)巷道分別采用錨噴和錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)綜合成本分別為1241.6元/m和862.8元/m，每米支護(hù)費(fèi)用分別降低971.9元和1350.7元。

該銅礦每年巷道掘進(jìn)約5000m，與原支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相比，制定的分級(jí)支護(hù)方案每年可降低支護(hù)費(fèi)用200萬～300萬元;另外，由原有的一掘一支優(yōu)化為兩掘一支或三掘一支，提高了巷道掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)效率。

5結(jié)論

1）基于工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，依據(jù)Q系統(tǒng)對礦區(qū)主要巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)結(jié)果為：中細(xì)粒花崗巖和礦體為Ⅳ級(jí)巖體，屬于差等級(jí);風(fēng)化花崗巖、英安玢巖為Ⅴ級(jí)巖體，屬于很差等級(jí)。

2）基于Q值與支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系，并結(jié)合巷道服務(wù)期限、影響程度、礦山支護(hù)工藝及施工技術(shù)條件等因素，制定和優(yōu)化了分級(jí)支護(hù)方案。在Ⅳ級(jí)圍巖中，永久類和采準(zhǔn)巷道分別采用錨噴支護(hù)和錨網(wǎng)支護(hù);在Ⅴ級(jí)圍巖中，經(jīng)過該類圍巖等級(jí)的巷道采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。

3）根據(jù)RMR值和巷道跨度，預(yù)估了圍巖不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間，并給出了支護(hù)時(shí)間建議，在中細(xì)?；◢弾r中采用兩掘一支，在礦體中采用三掘一支，在風(fēng)化花崗巖和英安玢巖中采用一掘一支。

4）工程實(shí)踐結(jié)果表明：根據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)方案設(shè)計(jì)，不僅滿足了巷道安全和高效施工的要求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了降低支護(hù)成本的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]儲(chǔ)瀟姝，孔令，徐恒，等.金屬礦山破碎礦巖巷道穩(wěn)定性分級(jí)與支護(hù)方式選擇[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016（3）：189-192.

[2]伍佑倫，許夢國，王元漢.程潮鐵礦礦巖工程質(zhì)量評價(jià)與支護(hù)方式的選擇[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（7）：1059-1063.

[3]侯俊，程文文，孫文敬，等.基于松動(dòng)圈理論的破碎巖體錨桿支護(hù)參數(shù)確定及應(yīng)用[J].黃金，2019，40（7）：29-33.

[4]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[5]康小兵，許模，陳旭.巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)分類法及其應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19（4）：91-95.

[6]任文明，胡謀鵬.巖體質(zhì)量分級(jí)Q系統(tǒng)在某地下儲(chǔ)油洞庫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2013，33（8）：674-678.

[7]李正剛.二灘水電站地下硐室支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)[J].四川水力發(fā)電，2001，20（1）：25-27，31.

[8]于潤滄.采礦工程師手冊：上冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[9]何燕云.Q系統(tǒng)在那蘇瓦水電站圍巖分類及支護(hù)中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2018，16（6）：67-71，93.

[10]徐志英.巖石力學(xué)[M].3版.北京：中國水利水電出版社，2008：28.

Abstract：Reasonablesupportisoneoftheimportantmeanstocontrolroadwaystabilityanddeformation，whileengineeringrockmassqualityevaluationisanimportantbasisfordeterminingreasonablesupportscheme.Inordertosolvetheproblemsofsimplexsupportmode，lowsupportefficiencyandhighsupportcostinacoppermine，QsystemandRMRmethodareusedtogradetherockmassqualityof4engineeringrockgroupsinthemine.BasedonthesupportdiagramofQsystem，andthefactorsofminesupporttechnologyandconstructionconditions，thegradingsupportschemeandsupportparametersareformulatedandoptimized，andthereasonablesupporttimeisquantifiedbyusingtheselfstabilizationtimeofunsupportedrockmassofRMRmethod，soastoguidetheonsitesupportconstruction.Theresultofengineeringpracticeshowsthatthegradedsupportschemeisgood，notonlymeetingthesafetyrequirementsofroadway，improvingtheconstructionefficiency，butalsoreducingthesupportcostby2million-3millionyuan/a.

Keywords：Qsystem;rockmassgrading;gradingsupport;roadwaystability;supporttime;safeandefficient