礦井巷道圍巖支護系統(tǒng)的特點研究

張鳳清

【摘 要】系統(tǒng)論認(rèn)為，系統(tǒng)是物質(zhì)存在的形式，世界上沒有離開系統(tǒng)的物質(zhì)。系統(tǒng)是具有特定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的諸要素所構(gòu)成的—個整體，它一般存在于環(huán)境包圍之中，環(huán)境是系統(tǒng)外界事物及諸要素的集合。將系統(tǒng)論原理用于巷道支護，進行分析研究，可以得出許多有意義的結(jié)論，指導(dǎo)設(shè)計施工，并從更高的水平認(rèn)識巷道支護。

【關(guān)鍵詞】巷道；圍巖支護；特點研究

1 巷道支護系統(tǒng)功能及構(gòu)成要素分析

輸入、轉(zhuǎn)換機構(gòu)和輸出是構(gòu)成系統(tǒng)的三要素。用系統(tǒng)論來考察巷道支護，發(fā)現(xiàn)也確實存在這樣一個系統(tǒng)，即由圍巖、支護和環(huán)境三個子系統(tǒng)構(gòu)成的圍巖一支護系統(tǒng)，它來源于人類改造自然的需要，具體功能是：承受構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力、采動應(yīng)力、爆破震動等各種載荷及地下水、空氣等的作用，保持巷道在服務(wù)年限內(nèi)的安全穩(wěn)定，以滿足通風(fēng)、行人、運輸、排水、鋪設(shè)管線等要求。

圍巖是指開挖后發(fā)生擾動、應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大變化的巷道周圍一定范圍的巖體，—般是巷道半徑的3—5倍，根據(jù)所處的地質(zhì)條件，可以是一種或幾種巖層。

支護是指為了加固、支撐圍巖而采取的某種或某幾種支護方式，主要包括砌碹、各種支架、錨桿、噴射混凝：上、鋪網(wǎng)等支護或注漿加固。

環(huán)境包括自然環(huán)境、工程技術(shù)環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境。自然環(huán)境主要包括圍巖條件、巷道深度、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、與其他巷道或采場關(guān)系等因素；工程技術(shù)因素包括巷道形狀和尺寸、設(shè)計水平、施上工藝、施工機械及施工隊伍水嚴(yán)等；社會經(jīng)濟條件包括國家政策、法令、法規(guī)、規(guī)范、經(jīng)濟狀況（投資）等。

該系統(tǒng)的輸入主要是地應(yīng)力、外界震動等各種載荷以及地下水、空氣的作用等；輸出包括圍巖和支護的變形、破壞、風(fēng)化、銹蝕、抵抗地應(yīng)力、防滲漏水、保持巷道穩(wěn)定的功能等。

2 圍巖一支護系統(tǒng)的特點

2.1 圍巖一支護系統(tǒng)是復(fù)合系統(tǒng)

因為圍巖是天然物，支護是人造物，環(huán)境子系統(tǒng)有些也是人工的。

2.2 圍巖一支護系統(tǒng)是開放子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)存在于自然、工程技術(shù)和社會經(jīng)濟環(huán)境子系統(tǒng)之中，互相進行物質(zhì)、能量及信息的交換，所以是開放系統(tǒng)。

2.3 圍巖一支護系統(tǒng)是動態(tài)系統(tǒng)

巷道開挖后，巖體就失去了原來的應(yīng)力平衡，圍巖立即向巷道內(nèi)發(fā)生變形。進行支護后，就改變了圍巖的變形速度，若支護強度適宜.支護時間恰當(dāng)，與圍巖變形協(xié)調(diào)，就控制了變形，使整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)定平衡；若支護強度不夠或支護時間過早或過晚，控制不了變形，導(dǎo)致變形加速，圍巖失穩(wěn)。而且，放炮、地震、行車等有害震動以及水、空氣的作用都會影響圍巖—支護子系統(tǒng)狀態(tài)。因此，圍巖—支護子系統(tǒng)隨時間不斷變化，是動態(tài)系統(tǒng)。

2.4 圍巖—支護系統(tǒng)是灰色系統(tǒng)

巖體的形成經(jīng)歷了漫長的過程，由于礦物構(gòu)成、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造、含水量等因素影響，各處千差萬別，無法準(zhǔn)確預(yù)知其變形規(guī)律；而且，許多支護形式的機理還沒有完全搞清；另外，地層各處應(yīng)力狀態(tài)千差萬別，也不能完全確定。由此可見，該系統(tǒng)及其環(huán)境中，既有已知的信息又有未知的信息或非確知信息，所以是灰色系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)科學(xué)原理的應(yīng)用

系統(tǒng)科學(xué)原理有：整體性原理、相關(guān)性原理、結(jié)構(gòu)性原理、動態(tài)性原理、反饋原理和最優(yōu)化原理等。

3.1 整體性和相關(guān)性原理

圍巖、支護和環(huán)境子系統(tǒng)三者之間相互聯(lián)系、相互作用，形成一個完整系統(tǒng).共同完成系統(tǒng)功能。在設(shè)計、施工和使用各個階段，都需要統(tǒng)籌考慮各種聯(lián)系，抓主要矛盾，使圍巖一支護系統(tǒng)整體最優(yōu)。例如，使用錨桿支護時，錨桿要穿透松動區(qū)；支護要適應(yīng)圍巖變形特性等。

圍巖本身是一個完整的子系統(tǒng)，各部分之間要靠支護作用相互協(xié)調(diào)，最終形成一均勻承載巖環(huán)。圍巖是一個整體，任何部分失穩(wěn)都會影響其他部分的穩(wěn)定，如在煤巷支護中，頂板往往由于兩幫松軟煤壁的鼓幫而下沉破壞，對此，關(guān)鍵就是支護兩幫煤壁和防止底鼓。

支護也是一個完整的子系統(tǒng)，各種支護方式在時間、空間上要互相配合、相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌安排。一般情況下，剛剛開挖的巷道，圍巖變形速度很快，這時應(yīng)施以柔性支護，讓圍巖先釋放應(yīng)力，等變形速度趨緩，再用較強支護使其達到長期穩(wěn)定。整個支護可根據(jù)圍巖變形規(guī)律分幾次進行。現(xiàn)在，可供選擇的支護形式很多，可以根據(jù)具體條件，選用最合理、最經(jīng)濟的聯(lián)合支護形式。

3.2 結(jié)構(gòu)性原理

任何系統(tǒng)都有層次性，圍巖一支護系統(tǒng)也不例外，它由若干包含許多要素的子系統(tǒng)構(gòu)成，而它本身又從屬于更大系統(tǒng)。在設(shè)計和施工巷道支護時，不但要研究圍巖一支護系統(tǒng)本身，而且要從縱向、橫向各種層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)立體地考慮有關(guān)各種聯(lián)系。例如，在分析地應(yīng)力 時，要考慮本地區(qū)地形、地質(zhì)構(gòu)造，還要考慮更大范圍的構(gòu)造體系及板塊構(gòu)造。

3.3 動態(tài)性原理及反饋原理

圍巖一支護系統(tǒng)受各子系統(tǒng)和輸入條件的影響，輸出隨時間是變化的，系統(tǒng)狀態(tài)可能趨于穩(wěn)定，也可能趨于失穩(wěn)，這就需要根據(jù)反饋原理，對圍巖和支護的變形、受力等進行量測，根據(jù)量測結(jié)果，及時修改支護方案和支護參數(shù)。新奧法的成功就在于它把設(shè)計、施工和監(jiān)測有機地結(jié)合起來。

3.4 最優(yōu)化原理

對于每一給定的圍巖和環(huán)境條件，都有一種滿足要求而成本最低的最佳支護方案，它也許是一種支護形式，也許是幾種支護構(gòu)成的聯(lián)合支護。每一種支護方案，又有一所需的最小支護量，以及根據(jù)圍巖一支護變形過程所確定的每種支護最佳施工時機。最優(yōu)化的任務(wù)就是使上述三項都達到最優(yōu)，使圍巖一支護系統(tǒng)處于動態(tài)的最佳狀態(tài)。

[責(zé)任編輯：薛俊歌]