深井巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

馬成民

[摘 要]深井圍巖支護(hù)中，錨桿是應(yīng)用最為普遍的一種支護(hù)方式。隨著智能算法應(yīng)用越來越普遍，智能算法可作為圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的一種參考。文中通過群算法對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)更為合理。在基于工程經(jīng)驗(yàn)提出初步參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有指導(dǎo)意義的研究成果。

[關(guān)鍵詞]深井巷道 圍巖支護(hù) PSO算法 參數(shù)優(yōu)化 力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）02-0169-01

1.深井支護(hù)概況

1.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化概況

圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定量決策的關(guān)鍵，科學(xué)地尋找支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)在安全和經(jīng)濟(jì)兩方面之間的最佳點(diǎn)，對(duì)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的意義顯而易見。錨桿支護(hù)在各種支護(hù)形式中占有舉足輕重的地位。近年來，很多學(xué)者對(duì)深井圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的問題進(jìn)行了深入的研究。

1.2 工程概況

東海煤礦的主要破壞巷道位于東海煤礦32#煤層二水平五采區(qū)下山，水平標(biāo)高-600m。取下山巷道不同位置巖石進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)定得知，該下山整體巖層的巖石強(qiáng)度比較大，質(zhì)地堅(jiān)硬，但受各種弱面（節(jié)理、裂隙等）和軟弱夾層的影響，嚴(yán)重降低了底板巖層各分層的整體強(qiáng)度，使得巖體出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果可知，32#層頂板巖層的質(zhì)量級(jí)別為П級(jí)，即較完整較堅(jiān)硬巖體。所研究的巷道段圍巖巖樣抗壓、抗剪實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如下圖（選取有代表性的巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線）：

2.深井圍巖應(yīng)力分布分析

由于下山巷道圍巖處于層狀巖體中、上覆巖層存在較厚的堅(jiān)硬巖層、圍巖存在較多的機(jī)理裂隙，采動(dòng)影響較頻繁、采深較大且巷道斷面是矩形。因此，通過錨桿的懸吊理論、動(dòng)力學(xué)平衡理論確定錨桿的參數(shù)將更加精確。[13-14]

假定深井巷道斷面為圓形且側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)彈性力學(xué)及巖石力學(xué)可求得任何一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為

其中，為徑向應(yīng)力，切向應(yīng)力，為剪應(yīng)力，原巖應(yīng)力，為圓形巷道斷面的半徑，任意點(diǎn)到圓形巷道斷面中心點(diǎn)的距離，任意點(diǎn)到中軸線連線與水平面的夾角，側(cè)向壓力系數(shù)。

根據(jù)三維巖體錨固范圍方程

其中，是節(jié)理裂隙對(duì)應(yīng)力的影響系數(shù)，大小受巖體質(zhì)量等級(jí)的影響，這里取0.85。為初始錨固力，一般不低于25MPa，為有效預(yù)應(yīng)力，單位，。其中C為與接觸表面、螺紋形式等因素有關(guān)的系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定；M為輸出扭矩，N·M，一般國內(nèi)礦山單體錨桿鉆機(jī)輸出扭矩在100～140N·M之間；為預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)，與原巖應(yīng)力大小、支護(hù)表面粗糙度、錨固機(jī)具參數(shù)、工人熟練程度和時(shí)間效應(yīng)等有關(guān)，取值范圍為，這里取0.60。L2取0.5～3.0的值。

由（1）（2）兩式可知圍巖應(yīng)力分布及不同錨固力時(shí)錨桿錨固范圍。

由上式可知當(dāng)錨桿的有效長度為2.1m即時(shí)較為合適。因此根據(jù)錨桿總長可得到錨桿長度為2.2m。依據(jù)式（1）分別求得的巷道頂板和兩幫最大徑向應(yīng)力、最大切向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值，從而初步確定錨桿的直徑選取范圍為：。

由以上分析可得到錨桿錨固范圍邊界三向承載力，，。

3.數(shù)值分析

3.1 錨桿錨固模型

建立巷道圍巖在錨桿作用下的變形函數(shù)，求得變形的最大值，求得變形最大值的的位置并驗(yàn)證錨桿的有效性。研究對(duì)象為東海煤礦32#煤層二水平五采區(qū)下山中段10m范圍內(nèi)的巷道圍巖，巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，設(shè)計(jì)凈寬5m，設(shè)計(jì)凈高3.5m，頂板錨固面積為50m2，兩幫錨固面積均為35m2。

根據(jù)結(jié)構(gòu)面面壁力學(xué)特性，依照沃爾多夫（Waldorf ）的觀點(diǎn)，計(jì)算錨桿作用下的結(jié)構(gòu)面面壁法向彈性變形為

其中，，為錨桿的初始錨固力，E為圍巖彈性模量，A為接觸面積。

根據(jù)煤礦支護(hù)安全規(guī)定的巷道圍巖變形范圍，在允許的范圍內(nèi)求出的區(qū)間，通過數(shù)值計(jì)算得到最大變形的位置。

3.2 數(shù)值過程

函數(shù)（3）對(duì)于適應(yīng)度函數(shù)fitness對(duì)其參數(shù)，，做出不同方式的比較已測(cè)試其對(duì)函數(shù)結(jié)果影響。

4.結(jié)語

東海礦區(qū)32#煤層二水平五采區(qū)下山巷道是受深部高應(yīng)力場(chǎng)困擾的主要工程之一。由于處于較深地層受采動(dòng)影響較大，因此選擇該段巷道作為高應(yīng)力采場(chǎng)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的地段。在基于工程經(jīng)驗(yàn)提出初步參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有指導(dǎo)意義的研究成果。經(jīng)過力學(xué)分析和粒子群算法優(yōu)化后最終確定錨桿支護(hù)時(shí)圍巖發(fā)生最大變形的位置，依次為依據(jù)選擇合理的錨桿間排距，并對(duì)特殊區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減少了錨桿施工過程中對(duì)圍巖表面的二次破壞。但礦井巷道圍巖支護(hù)手段一般比較綜合，通過群優(yōu)化的方法作為對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的參考需要大量的實(shí)踐驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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[3] 姜諳男，茹忠亮，張 嬌.基于粒子群算法和FLAC的洞室圍巖參數(shù)反分析[J].電子工業(yè)出版社. 2007. Vol.27（5）：33-35.