《井巷工程》課程內(nèi)容新體系研究

李迎富

【摘 要】本文闡述了《井巷工程》內(nèi)容新體系，重點(diǎn)闡述了巷道支護(hù)內(nèi)容變化，系統(tǒng)分析了服務(wù)年限、層位巖性、圍巖結(jié)構(gòu)、礦壓影響、特殊區(qū)域等對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響，提出了巷道差異化支護(hù)方法，探索了一條復(fù)雜多變、難支護(hù)巷道支護(hù)智能決策的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】《井巷工程》內(nèi)容新體系；巷道支護(hù)傳統(tǒng)內(nèi)容體系；巷道差異化支護(hù)

1 《井巷工程》內(nèi)容新體系

煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，仍然作為我國的主體能源。隨國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新建了幾十個(gè)礦區(qū)，煤炭產(chǎn)量由1995年的13.61億噸增長到2016年的33.64億噸。與此同時(shí)，井巷施工及支護(hù)技術(shù)得到迅猛發(fā)展。在立井施工方面[1-2]，使用了大型鑿井絞車和提升機(jī)、新型鑿井井架、深孔光面爆破、大型抓巖機(jī)等配套的機(jī)械化作業(yè)線。在比較復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，特殊鑿井的比重逐漸增加[3]，井筒采用凍結(jié)法施工的最大凍結(jié)深度達(dá)到740m，注漿法施工的最大注漿深度達(dá)到1657m，沉井法施工的井筒最大下沉深度達(dá)到200.3m，帷幕法施工的帷幕深度最大達(dá)到57m。井筒設(shè)備的防腐技術(shù)也有了很大進(jìn)步，使得井筒設(shè)備壽命延長1倍以上。在巖巷施工方面，以鉆裝錨機(jī)為主體的作業(yè)線，以及鑿巖臺(tái)車、側(cè)卸轉(zhuǎn)載機(jī)為主組成的作業(yè)線已廣泛應(yīng)用，全斷面掘進(jìn)機(jī)正在積極推廣應(yīng)用中。煤巷掘進(jìn)采用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。斜井施工已形成大箕斗、大耙斗、深孔光爆、錨噴支護(hù)等一套具有中國特色的機(jī)械化施工工藝和作業(yè)線。巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長過程，錨桿支護(hù)從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國煤礦巷道掘進(jìn)量已經(jīng)超過上萬千米，因巷道支護(hù)問題造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到數(shù)十億元，現(xiàn)以巷道支護(hù)為例說明《井巷工程》課程內(nèi)容變化。

2 巷道支護(hù)傳統(tǒng)的內(nèi)容體系

巷道支護(hù)傳統(tǒng)內(nèi)容體系包括巷道支護(hù)原理、支護(hù)形式及其設(shè)計(jì)方法。

1）巷道支護(hù)形式

（1）砌碹支護(hù)屬于剛性被動(dòng)支護(hù)，施工工序復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工速度慢，效率低，抵抗動(dòng)壓能力差。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。

（2）棚式支架也屬于被動(dòng)支護(hù)，支架與巷道表面很難密切接觸，控制圍巖早期變形的能力差，在復(fù)雜困難條件下支護(hù)效果差、成本高。

（3）錨噴支護(hù)至今已有50 多年的歷史。噴射混凝土可及時(shí)封閉圍巖，防止風(fēng)化；改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，恢復(fù)三向應(yīng)力狀態(tài)；填凹補(bǔ)平消除應(yīng)力集中；混凝土與圍巖共同變形，圍巖應(yīng)力釋放，混凝土變形后受到壓縮，支護(hù)反力增加，可抑制更大變形；射入縫隙，增強(qiáng)巖塊間黏結(jié)力，防護(hù)錨桿間危石掉落。錨桿起到主動(dòng)加固作用，充分發(fā)揮圍巖自承能力。

（4）注漿加固可改變圍巖松散破碎結(jié)構(gòu)，提高其粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角和圍巖整體性，使圍巖為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，充分發(fā)揮錨桿對(duì)松散破碎巖層的錨固作用。

（5）混凝土鋼管支護(hù)把混凝土灌入鋼管中并搗實(shí)以加大鋼管的強(qiáng)度和剛度，鋼管混凝土能夠?qū)⒒炷梁弯摬目苟叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，具有：①承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越；②施工方便，工期大大縮短；③有利于鋼管的抗火和防火；④耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。

（6）復(fù)合支護(hù)是采用兩種或兩種以上的支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)巷道，雖然適用范圍廣，但支護(hù)費(fèi)用高，成巷速度慢。

2）巷道支護(hù)原理

1）古典壓力理論及坍落拱理論

古典壓力理論認(rèn)為，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量7倍，但隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)古典壓力理論許多方面都有不符合實(shí)際之處。于是，坍落拱理論應(yīng)運(yùn)而生，其代表有太沙基理論和普氏理論，此類理論認(rèn)為：坍落拱的高度與地下工程跨度和圍巖性質(zhì)有關(guān)，其最大貢獻(xiàn)是提出巷道圍巖具有自承能力。

2）新奧法

奧地利人L.v.Rabcewicz 根據(jù)本國多年隧道施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的一種施工方法，其主要原則為：（1）充分保護(hù)圍巖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；（2）充分發(fā)揮圍巖的自承能力；（3）盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合；（4）加強(qiáng)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，可概括為“少擾動(dòng)、早噴錨、快封閉、勤測量”。

3）聯(lián)合支護(hù)理論

馮豫、陸家梁、鄭雨天、朱效嘉教授等提出的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其觀點(diǎn)可以概括為：對(duì)于巷道支護(hù)，一味強(qiáng)調(diào)支護(hù)剛度是不行的，特別是對(duì)于松軟巖土圍巖要先柔后剛，先抗后讓，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。由此發(fā)展起來的支護(hù)形式有錨噴網(wǎng)技術(shù)、錨噴網(wǎng)架技術(shù)、錨帶網(wǎng)架技術(shù)、錨帶噴架等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

4）錨噴一弧板支護(hù)理論

孫鈞、鄭雨天和朱效嘉等提出的錨噴一弧板支護(hù)理論是對(duì)聯(lián)合支護(hù)理論的發(fā)展。該理論的要點(diǎn)是：對(duì)軟巖總是強(qiáng)調(diào)放壓是不行的，放壓到一定程度后，要堅(jiān)決頂住。即采用高標(biāo)號(hào)、高強(qiáng)度鋼筋混凝土弧板作為聯(lián)合支護(hù)理論先柔后剛的剛性支護(hù)形式，堅(jiān)決限制和頂住圍巖向中空位移。

5）松動(dòng)圈理論

松動(dòng)圈理論是由中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容是：凡是堅(jiān)硬圍巖的裸露巷道，其圍巖松動(dòng)圈都接近于零，此時(shí)巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護(hù)。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度就越大。因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過程中的有害變形。

6）錨桿支護(hù)理論

錨桿支護(hù)理論包括：懸吊理論、組合梁理論、加固拱（壓縮拱）理論、最大水平應(yīng)力理論、弱巖強(qiáng)度強(qiáng)優(yōu)理論等。近年來錨桿支護(hù)技術(shù)快速發(fā)展，尤其是在澳、美、英等錨桿支護(hù)技術(shù)先進(jìn)國家，錨桿支護(hù)在巷道圍巖控制中占有極高的比重。我國于20世紀(jì)50年代初首先在煤炭、冶金系統(tǒng)的地下工程領(lǐng)域試驗(yàn)錨桿支護(hù)技術(shù)，以后逐漸發(fā)展到鐵道、水電、軍工等系統(tǒng)，取得了很大成就，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。近年來，煤礦錨桿支護(hù)發(fā)展很快，2005年，國有煤礦錨噴支護(hù)達(dá)到了50%，其中，巖巷80%，半煤巖巷道60%，煤巷30%。endprint

3）巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法

1984年，美國麻省理工學(xué)院W.S.（Dershowitz）與H.H.Einstein首先發(fā)表了題為“人工智能在巖石力學(xué)中應(yīng)用”的課題，在此以后，巖石力學(xué)領(lǐng)域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)展迅速。

1992年，北方交通大學(xué)張清在利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測巖石或巖石工程的力學(xué)性態(tài)，開始了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工程應(yīng)用。

東北大學(xué)的馮夏庭等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于采礦方法及露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究。

河海大學(xué)的陳國榮以及安徽理工大學(xué)的謝廣祥等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，開發(fā)了錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2002年，重慶大學(xué)的許明，采用動(dòng)力瞬態(tài)激振使錨桿引起彈性振動(dòng)，通過測定錨桿的振動(dòng)響應(yīng)來估計(jì)和推斷錨桿的極限承載力，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這類非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用于該灰色系統(tǒng)的預(yù)測。

2006年，武漢巖土力學(xué)研究所的劉明貴等將小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，采用數(shù)值模擬得到錨桿外端部的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并進(jìn)行小波分析，從各分量中提取特征向量，然后，將這些特征向量輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)測信號(hào)的特征向量對(duì)錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行智能化分類。

3 巷道支護(hù)傳統(tǒng)內(nèi)容體系存在的問題及其分析

（1）每條巷道地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境千差萬別，應(yīng)針對(duì)巷道具體條件，進(jìn)行巷道圍巖分類，依據(jù)圍巖分類，選擇合理的巷道支護(hù)形式，才能達(dá)到預(yù)期效果。

（2）由于巷道支護(hù)問題的復(fù)雜性，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要做大量的前期工作。因此，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，分別將巷道影響因素指標(biāo)量化，開展不同地質(zhì)條件巷道圍巖分類，通過大量調(diào)研、資料收集，構(gòu)建巷道樣本庫，結(jié)合現(xiàn)有巷道支護(hù)理論與技術(shù)，確定巷道基本支護(hù)方案（即：一巷一策），采用定性與定量相結(jié)合，細(xì)化差異化支護(hù)方案（即：一巷多策），并研發(fā)可視化的智能操作軟件，實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)智能決策功能。

4 巷道支護(hù)新內(nèi)容

（1）構(gòu)建了包含巷道類型、區(qū)域特征、圍巖物理力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、巷道礦壓特征、支護(hù)效果評(píng)價(jià)等信息的巷道樣本數(shù)據(jù)庫。

（2）采用有限差分法，模擬計(jì)算出分類指標(biāo)與圍巖塑性率的函數(shù)關(guān)系，依據(jù)圍巖塑性率函數(shù)的斜率變化，確定隨圍巖條件變化的動(dòng)態(tài)指標(biāo)權(quán)值。

（3）構(gòu)建樣本巷道數(shù)據(jù)庫，提出了巷道圍巖穩(wěn)定性分類指標(biāo)體系，進(jìn)行了巷圍巖穩(wěn)定性整體分類和次分類。

（4）明確巷道差異化支護(hù)對(duì)象

主要做好服務(wù)年限、層位巖性、頂?shù)變蓭?、地壓影響、特殊區(qū)域五個(gè)方面的差異化支護(hù)。服務(wù)年限較長的開拓準(zhǔn)備巷道要充分考慮層位、地壓等因素，宜適度提高支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、安全系數(shù)，做到一次投入、長期服務(wù)；服務(wù)年限較短的回采巷道，支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要切合實(shí)際，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，不得盲目提高支護(hù)強(qiáng)度。

同一回采巷道內(nèi)應(yīng)根據(jù)回采時(shí)間不同實(shí)施差異化支護(hù)；同一巷道應(yīng)根據(jù)層位、巖性不同實(shí)施差異化支護(hù)；巖巷錨噴支護(hù)拱部與幫部宜實(shí)施差異化支護(hù)；煤巷錨桿支護(hù)沿空掘進(jìn)巷道的沿空幫、實(shí)體煤幫以及切眼的老塘幫、煤壁幫宜實(shí)施差異化支護(hù)。錨桿規(guī)格、錨固劑數(shù)量宜差異化設(shè)計(jì)。

地應(yīng)力大小、動(dòng)壓影響程度不同，巷道支護(hù)形式及參數(shù)應(yīng)差異化設(shè)計(jì)；對(duì)巷道交岔點(diǎn)（三、四岔門）、擴(kuò)大斷面、構(gòu)造區(qū)、破碎區(qū)、淋水區(qū)、冒頂區(qū)、過老空區(qū)等特殊地段，應(yīng)提高支護(hù)強(qiáng)度。

（5）提出圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估→圍巖穩(wěn)定性分類→基本支護(hù)方案確定→差異支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)→支護(hù)效果檢測與優(yōu)化的分類差異支護(hù)設(shè)計(jì)思路，并研發(fā)巷道支護(hù)智能決策系統(tǒng)。

5 結(jié)語

（1）隨著開采深度、開采強(qiáng)度的不斷提高，傳統(tǒng)的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法及單一的巷道支護(hù)形式難以滿足要求。因此，需要因巷制宜，多種支護(hù)形式并存，分類設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)。

（2）結(jié)合巷道支護(hù)的成功實(shí)例，構(gòu)建了包含巷道類型、區(qū)域類型、圍巖力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)效果評(píng)價(jià)等信息的巷道樣本數(shù)據(jù)庫，在綜合考慮巷道類型及服務(wù)年限、區(qū)域類型、整體分類及圍巖次分類基礎(chǔ)上，優(yōu)選試驗(yàn)巷道的支護(hù)方案，將繁瑣的理論計(jì)算與成功的支護(hù)實(shí)例緊密聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)決策“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理”。

（3）提出了圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估→圍巖穩(wěn)定性分類→基本支護(hù)方案確定→差異支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)→支護(hù)效果檢測與優(yōu)化的分類差異支護(hù)設(shè)計(jì)思路，研發(fā)了巷道支護(hù)智能決策系統(tǒng)，提高巷道支護(hù)效率。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint