岩体质量分级预测与支护方式研究_詹梅芬.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-28修回日期 2020-04-30 第一作者简介 詹梅芬1988- ， 女 （汉族） ， 浙江遂昌人， 工程师， 现从事矿山和危化安全技术研究工作。 岩体质量分级预测与支护方式研究 詹梅芬*， 廖美红， 贾名涛， 秦波， 章雄飞， 李成军， 徐建飞 （浙江金安设计研究有限公司， 浙江 遂昌 323300） 摘要 通过对矿区开展大量的节理裂隙与岩体结构面等工程地质调查， 得到40个矿岩样本的基本 特征分布情况。在结合专家学者以往经验的基础上， 最终通过因子分析筛选得到5个影响指标作为 岩体质量分级预测模型的研究变量。借助R语言， 开展了基于K折交叉验证方法的岩体质量分级预 测模型的研究， 确定了适用于该萤石矿山的最优预测模型为随机森林模型。通过三维数值模拟的方 式研究了巷道赋存在不同等级岩体状态下， 宏观力学行为及支护效果， 对前坪仔矿区安全生产提供 了科学的参考依据。 关键词 岩体质量分级； 预测研究； 数值模拟； 支护 中图分类号 P58 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0115-05 矿山安全生产是一项复杂、 庞大的系统工程[1-2]。 在矿山设计及开采的各个阶段， 正确地对矿区巷道围 岩进行质量分级， 进而对其稳定性做出准确评价， 是保 障矿山安全生产的最关键、 最基础的工作之一[3-5]。通 过对矿山深部矿段部分岩样进行岩体质量等级预测， 并借助数值模拟方法， 研究巷道赋存在不同等级岩体 状态下的宏观力学行为及支护效果， 对保障矿山持续 安全高效生产具有重大意义[6-8]。 1工程背景介绍 矿区位于前坪仔村134方向1.02km， 矿区地形总 体趋势是东南高， 西北低。矿区东部山体呈近南北走 向， 矿区南部山体呈北西走向， 山体多呈浑圆形， 地形 切割严重， 沟谷多呈 “V” 形， 坡度一般35～45， 局部大 于55。最高点位于矿区南部， 海拔1183.3m （人头岗） ， 最低点位于矿区西北部溪床， 海拔725.0m， 相对高差 450m。对矿山各中段进行工程地质调查得到矿山不同 地质岩体的样本特征 810m中段 声脆、 回弹， 微风 化； 岩石微风化饱和单轴抗压强度 99.8MPa； 岩石坚 硬； 结构面发育平均间距95cm二组； 结构面结合好； 岩 体纵波波速3630m/s； 岩石纵波波速5000m/s； 完整性 系数0.527； 岩体完整； Rc＞90Kv30， BQ464， 属Ⅱ级； 定性与定量特征不吻合； 最终等级Ⅱ级。760m中段 声脆、 回弹， 微风化； 岩石微风化饱和单轴抗压强度 100.8MPa； 岩石坚硬； 结构面发育平均间距100cm一 组； 结构面结合好； 岩体纵波波速4500m/s； 岩石纵波 波速 5700m/s； 完整性系数 0.623； 岩体较完整； Rc＞ 90Kv30， BQ514， 属Ⅱ级； 定性与定量特征吻合； 最终 等级Ⅱ级。710m中段 声脆、 回弹， 未风化； 岩石微风 化饱和单轴抗压强度104.7MPa； 岩石坚硬； 结构面发 育平均间距105cm一组； 结构面结合好； 岩体纵波波速 4690m/s； 岩石纵波波速5410m/s； 完整性系数0.752； 岩体完整； Rc＞90Kv30， BQ581， 属Ⅰ级； 定性与定量 特征吻合； 最终等级Ⅰ级。 2指标筛选及分级模型优选 2.1指标筛选 取样调查得到的样本特征较多， 且部分指标之间 存在着不同程度的相关性， 如果将所有变量全部引入 岩土工程质量分级中， 将是不合适的[9]。 利用R语言软件， 采用R型聚类分析方法， 并结合 专家学者以往经验， 将岩体质量分级影响指标最终被 分为3类。最后通过因子分析筛选得到5个影响指标 作为后续岩体质量分级预测模型研究的变量， 见表1。 从影响岩体质量分级的10个指标中， 最终挑选得 到岩石饱和单轴抗压强度 （Rc） 、 岩体完整性系数 （Kv） 、 节理间距 （JointDis） 、 岩石质量指标 （RQD） 、 围岩强度 应力比 （Ratio） 5个影响指标作为后续分级预测模型研 究的变量。体重 （Weight） 指标暂不考虑主要是由于容 重的区间范围在2.35～2.67g/cm3， 且该指标的变异系 115 2021年第1期西部探矿工程 数仅为0.034， 在所有影响指标中最小。 2.2预测模型优选 通过设置随机种子， 将40个样本随机切分成5个 相等的子集。原始数据通过随机抽取后的样本排序见 表2。 以R为编程语言， 在RStudio开发环境中通过支持 类别 A类 B类 C类 影响指标 岩石饱和单轴抗压强度 （Rc） 岩体纵波波速 （V1） 、 岩石纵波波速 （V2） 、 岩体完整性系数 （Kv） 岩石质量指标 （RQD） 、 节理组数 （JointSet） 、 节理间距 （JointDis） 埋深 （Depth） 、 围岩强度应力比 （Ratio） 表1影响指标分类汇总表 Group 第一组 第二组 Num 13 11 21 3 17 36 28 18 6 19 Rc 101.5 88.4 99.1 104.8 102.6 70.5 50.3 103.8 99.8 103.6 Kv 0.62 0.43 0.59 0.77 0.52 0.49 0.27 0.66 0.53 0.52 JointDis 95 105 90 120 95 65 40 80 95 120 RQD 0.7 0.65 0.59 0.9 0.78 0.53 0.25 0.8 0.78 0.75 Ratio 0.40119 0.49524 0.15484 0.39261 0.20939 0.27326 0.28743 0.21184 0.58192 0.20234 Grade Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅴ Ⅱ Ⅱ Ⅱ 表2岩体质量分级标准化数据样本 模拟 次数 No.1 No.2 No.3 No.4 支持向量机 线性核函数 2 0 1 0 径向基核函数 3 1 1 0 线性核函数 4 1 1 2 随机森林 1 0 1 1 线性判别 2 0 1 0 表3类模型误判样本数量统计 向量机模型参数寻优以及对比线性判别分析与随机森林模型， 最终得到各类模型误判样本数量见表3。 从4类模型4次试验误判率样本数量可知 随机森 林模型的表现并不是在每次试验中都处于最优。在第 2次试验中随机森林模型的预测效果与线性判别分析 模型、 SVM （线性核函数） 模型一致； 但在第4次试验中 随机森林模型的预测效果就不如线性判别分析模型、 SVM （线性核函数、 径向基核函数） 模型。这也说明 仅 靠一次随机试验结果确定最优模型， 偶然性较大， 其结 果并不具有代表性。而通过多次随机试验， 将评估参 数的均值作为最优模型的判别标准更加合理。 通过对比各类模型的预测结果， 确定最优预测模 116 2021年第1期西部探矿工程 型为随机森林模型。 3支护方式研究 3.1数值模型及力学参数选取 为保障后期工程的安全， 基于岩体质量分级及不 同等级岩体支护方式， 建立运输巷道在不同岩体中的 工程地质力学模型， 研究巷道赋存在不同等级岩体状 态下， 宏观力学行为及支护效果。 工程地质力学模型的尺寸长宽高为36m30m 34m， 模型共划分为144600个单元， 153078个节点， 模 型底部边界为垂直方向约束， 4个侧面为水平方向约 束， 上部边界为自由边界， 应力边界条件按照实测应力 进行施加。屈服准则采用MohrCoulomb模型， 建立 的工程地质力学模型如图1所示。 通过参考矿区矿岩力学参数， 综合考虑前坪仔矿 图1巷道工程地质力学模型及支护形式展示 表4工程岩体力学参数综合取值表 工程质量 分级 Ⅳ Ⅲ Ⅱ 岩性 凝灰岩 凝灰岩 凝灰岩 弹性模量 （GPa） 7 13 19 泊松比 （μ） 0.28 0.25 0.25 岩体密度 （g/cm3） 2.69 2.69 2.69 内摩擦角 φ （） 30 38 46 粘聚力 （MPa） 0.6 1.2 1.5 抗拉强度 （MPa） 0.3 0.4 0.7 区岩体质量评价结果， 得到其岩体物理力学参数推荐值见表4。 3.2巷道围岩破坏分析 对比图2～图4中 （a） 图可知 破坏模式均以剪切破 坏为主。在未支护工况下， 主要破坏位置在顶底板。 巷道在Ⅳ级岩体中， 巷道周围均出现破坏， 边帮位置出 现剪切破坏。随着岩体完整性的提高， 巷道周围塑性 区范围逐渐减小。 分析图2～图4中图 （b） 可知 Ⅳ级岩体较破碎， 支 护后顶板塑性区明显减少， 边帮塑性区也同样减少。 底板位置塑性区变化大不， 由于支护没有覆盖至底板 位置。在Ⅲ级围岩中， 底板塑性区范围较小。 4结论 （1） 基于K折交叉验证方法， 通过支持向量机模型 参数寻优和对比线性判别分析模型与随机森林模型， 开展了岩体质量分级预测模型的优选研究。研究表 明 基于随机森林的岩体质量等级预测模型误判率最 低， 性能最好， 4次随机试验整体误判率仅为7.5。 （2） 借助数值模拟方法， 研究了巷道赋存在不同等级 岩体状态下， 宏观力学行为及支护效果。结果表明 Ⅳ级 岩体为破碎岩体， 采用锚网喷支护方案以后， 顶板变形与 塑性区大大降低， 但需要关注底鼓现象。Ⅲ级岩体与Ⅱ 级岩体完整性较好一些， 巷道掘进过程中受到扰动较少， 采用锚喷与素喷支护形式以后， 都使塑性区范围减少， 围 117 2021年第1期西部探矿工程 岩顶板位移降低， 应力集中现象减弱。对前坪仔矿区安全生产具有一定的指导意义。（下转第121页） 图2Ⅳ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图 图3Ⅲ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图 图4Ⅱ级围岩巷道掘进与支护对比塑性区分布图 118 2021年第1期西部探矿工程 运用最小二乘拟合公式 （7） ， 计算参数a0-0.0006， a1-1.1877，a2146.16， 得到二次拟合关系式为 ΔUi-0.0006ΔHi2-1.1877ΔHi146.16（10） 若相对高差与自然电位之间满足指数函数关系， 运用最小二乘拟合公式 （8） ， 计算参数A124.29， B-0.01，C0， 得到自指数拟合关系式为 ΔUi124.29e -0.01ΔHi （11） 曲线拟合如图4所示。 图4应用最小二乘公式所实现的线性、 二次、 指数拟合 从图4中能看出 由于二次拟合公式 （10） 中二次项 系数a0较小， 使得线性拟合与二次拟合得到的曲线十 分接近， 相对高差在 （-100m， 75m） 的区间内比较接近， 且自然电位改正量和相对高差拟合效果较好， 而指数 拟合得到的效果显然没有线性和二次拟合效果好。因 此， 砂岩型铀矿区地形改正采用线性拟合比较合适。 利用线性拟合对比改正前后得到图5。 由图5可见， 自然电位异常受地形的影响较大， 改 正后的自然电位曲线在 （800～1250m） 区间内自然电位 曲线显然比改正前的自然电位曲线要高， 而在1250m 之后， 改正后的自然电位曲线在迅速下降， 在1300m 后， 改正前的自然电位曲线低于改正后的自然电位曲 线。 4结论 本文通过对测区的相对高差与自然电位地形改正 量进行线性、 二次、 指数拟合， 对比分析， 发现采用线性 拟合的效果较好， 并得出相对高差与自然电位地形改 正量的关系式， 利用其关系式可以消除砂岩型铀矿区 地形起伏对自然电位测量的影响。 参考文献 [1]王君恒，耿煜.自然电位梯度测量中的地形改正[J].地球物理 学报，2015，58103815-3824. [2]王志昊，王志刚，王君恒.高程校正在自然电场法中的应用[J]. 甘肃地质，2015，24289-93. [3]张晓.伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿床成因研究[D].核工业北 京地质研究院，2012. [4]余安.自然电位法在层间氧化带砂岩型铀矿的应用研究[D]. 东华理工大学，2016. [5]张宗岭，刘立松.计算机在自然电位地形改正中的应用[C]∕∕ 计算机在地学中的应用国际讨论会论文摘要集， 中国地球 物理学会、 美国面向地学的计算机学会中国地球物理学会， 1991316-320. [6]张宗岭.自然电位地形改正探讨[J].地质与勘探，19891138- 42. [7]姚毅锋，陈志国.自然电场法在寻找层间氧化带型砂岩铀矿 中的应用[J].物探与化探，20033187-188. 图5线性拟合公式改正前后对比图 （上接第118页） 参考文献 [1]陈庆发. 隐患资源开采与采空区治理协同研究[D]. 中南大 学， 2009. [2]苏龙. 基于岩体质量分级的采场稳定性分析与安全对策研 究[D]. 中南大学， 2012. [3]兰明. 望儿山矿区采场结构参数优化及稳定性分析研究 [D]. 中南大学， 2014. [4]陈俊池. 基于岩体质量分级的采场稳定性分析及支护技术 研究[D]. 东北大学， 2014. [5]陈近中. 双江口电站工程岩体质量分级研究[D]. 成都理工 大学， 2007. [6]杨伟康. 基于D-S证据理论的岩体质量分级组合评价方法 [D]. 湖南大学， 2015. [7]Esmailzadeh A， Mikaeil R， Shafei E， et al. Prediction of Rock Mass Rating Using TSP and Statistical Analysis in Semnan Rooziyeh spring conveyance tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 2018， 79 224-230. [8]Mohammadi M， Hossaini M F. Modification of Rock Mass Rat- ing System Interbedding of Strong and Weak Rock layers[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.， 2017， 96 1165-1170. [9]林韵梅. 论最佳三要素的判别依据[J]. 岩石力学新进展， 1989. 121