“巷道分層掘進中支護時機的選擇”課程教學(xué)探討

郝憲杰+鄭派+李玉麟+郭延定

摘要：本文以大學(xué)采礦工程專業(yè)為例，對采礦工程中的巷道分層掘進與支護時機的選擇做詳細的分析和呈現(xiàn)，使學(xué)生在巷道生產(chǎn)實習的認識基礎(chǔ)上，學(xué)會利用各種數(shù)值模擬軟件科技化、數(shù)字化、信息化的特征，對巷道分層掘進支護時機的選擇實現(xiàn)定量化決策，使學(xué)生對采礦工程專業(yè)中巷道支護時機的原則有了更新的認識和了解。

關(guān)鍵詞：采礦工程；巷道分層掘進；支護時機；數(shù)值模擬

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0125-03

由于支護時機對于巷道支護的重要性，使得支護時機的選擇既是教學(xué)中的一個難點，也是科研工作中的重點。在采礦工程中，巷道的掘進是最基本的一項工序，巷道由于在掘進之后，巷道周圍的圍巖會受到外部應(yīng)力或受到采掘擾動后變形破壞。此時圍巖若不及時支護控制，巷道圍巖就會產(chǎn)生破壞變形等。但有時巷道周圍的圍巖本身具有一定的承載能力和強度，這些破壞和變形等可能伴隨著時間的推移而延長，所以由于這些因素的存在，必須對支護時機進行正確的判斷和選擇。因此，合理的支護時機實際上是圍巖自身穩(wěn)定性與支護構(gòu)件承受荷載之間的相互博弈。所以選擇一個合理而科學(xué)的支護時機是關(guān)鍵，這樣既能保證巷道掘進的安全性，同時也節(jié)約了支護的成本。所以支護時機的選擇在采礦工程中有著非常關(guān)鍵的重要意義。

一、支護的教學(xué)設(shè)計

在采礦工程中，說起巷道，學(xué)生們都知道，巷道是煤礦開采過程中最基本的組成部分，在巷道的施工過程中，可分為掘進和支護兩個步驟。但是學(xué)生們不知道在巷道的掘進過程中，巷道圍巖是如何破壞的，同時也不知道對于在掘進過程中應(yīng)該選擇哪個時間進行支護才能保證安全和掘進的速度。相應(yīng)的理論知識從“采煤概論”中都能找到，但是對該問題的深刻理解卻很難。巷道在掘進過程中圍巖會在外部應(yīng)力的作用下和人為的擾動下，巷道周圍的圍巖會發(fā)生快速劇烈的變形，所以對圍巖變形的研究、監(jiān)測和控制是保證巷道安全掘進的前提，對巷道的支護和時機的選擇是保證巷道安全施工的關(guān)鍵。圍巖的支護技術(shù)及支護時間的選擇對巷道分層掘進施工有著非常重要的意義。

如果只對上述理論進行課堂口述，一方面是學(xué)生們對這門專業(yè)無法產(chǎn)生興趣，另一方面也無法在實踐過程中得以運用和提升。而數(shù)值模擬軟件，由于其科技化、數(shù)字化、信息化的特征，對巷道分層掘進支護時機的選擇實現(xiàn)定量化決策，目前已經(jīng)在生產(chǎn)實際中得到了大量使用，采用該方法，既可以使課程生動有趣，抓住學(xué)生眼球，同時還可以使課堂授課形象直接，從而使學(xué)生對采礦工程專業(yè)中巷道支護時機的原則有了更新的認識和了解。

二、支護設(shè)計的空間效應(yīng)

在采礦工程中，巷道分層掘進后，由于圍巖的卸荷特性，使其對洞室群穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。巷道掘進同時存在著空間效應(yīng)和時間效應(yīng)，但現(xiàn)場數(shù)據(jù)為兩者綜合效應(yīng)，因此只采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以使學(xué)生對于空間效應(yīng)和時間效應(yīng)產(chǎn)生認識，而數(shù)值模擬可以很好地解決這個問題。如圖1為只考慮空間效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。

在巷道第一層掘進時，在一定距離選擇一個斷面進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，并對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，得出數(shù)值模擬結(jié)果。從圖1中可以直觀清晰地看出，在距監(jiān)測斷面距離不同的位置，巷道周圍圍巖的變形程度和影響范圍截然不同，這樣就能確定巷道在掘進第一層時，巷道圍巖影響范圍和變形程度，從圖1中可以看出第一層掘進的空間效應(yīng)不明顯，影響范圍為-2m—10m，這些數(shù)據(jù)和模擬圖將作為工程中的參考依據(jù)。

在進行第二層掘進時，在同樣的檢測位置進行數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行處理，可知圍巖的影響范圍和變形程度均比在第一層大，掘進的空間效應(yīng)相對明顯，其影響范圍為-20m—20m。此時現(xiàn)場工作人員必須要及時進行對比分析，采取必要的有力支護措施進行控制。

在掘進第三層時，塑性區(qū)的發(fā)展范圍和變形程度更加明顯，對工程的安全和進展會造成一定的威脅和困難。

總結(jié)出如圖3所示的巷道分層掘進在空間效應(yīng)影響的結(jié)果，得出結(jié)論如下：

巷道分三層掘進時，均存在明顯的空間效應(yīng)，但是每層掘進時空間效應(yīng)影響范圍相對于檢測點的位置（坐標原點）不同而不同，第一層掘進的空間效應(yīng)的影響范圍為-2m—10m，第二層掘進的空間效應(yīng)的影響范圍為-20m—20m，第三層掘進的空間效應(yīng)的影響范圍為-30m—30m，所以經(jīng)過對比分析后知：在巷道三層掘進中，第二層掘進前后松弛深度變化最為明顯，可能與第二層掘進空間尺寸最大有關(guān)。在只考慮空間效應(yīng)的情況下，經(jīng)過以上數(shù)值模擬圖和結(jié)論對比分析，現(xiàn)場工作人員或科研人員必須對其提出正確的處理方案，確定最佳支護時機，對其進行支護和采取必要措施。保證工作環(huán)境的安全和采掘速度的提高。

三、巷道分層掘進支護的時間效應(yīng)

在巷道掘進過程中，除了考慮空間效應(yīng)，還需考慮時間效應(yīng)，在巷道掘進過程中，掘進后開始考慮時效松弛，掘進速度為2.5m/天。在考慮時間效應(yīng)和空間效應(yīng)的情況下，可以分別計算第一、二、三層開挖時的圍巖塑性區(qū)發(fā)展過程，其中典型的第三層數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

將三層開挖時的時空效應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比和綜合分析，如圖5所示，可以得出結(jié)論如下：

三層掘進時，巖體時效松弛深度與掘進進尺長度均呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，即初始增長速率很快，而后逐漸減緩；圍巖時間效應(yīng)影響程度較大的范圍均在0—30m之間，即12天內(nèi)，而后影響程度減弱，趨于穩(wěn)定。經(jīng)過時間效應(yīng)和空間效應(yīng)綜合分析后知：在每一次掘進時，圍巖松深度增加的幅度均不同，其中在第二層掘進時，幅度增加為最大。由此可見，在第二層掘進時應(yīng)進行及時支護，而第一層和第三層開挖后，可以采用滯后支護。

結(jié)合以上分析，所以在巷道分層掘進過程中，支護時機的選擇是關(guān)鍵。則得出如下結(jié)論：

1.支護太早，掘進后3天內(nèi)支護（空間滯后8m以內(nèi)），雖然圍巖處于減速松弛階段，有利于圍巖穩(wěn)定，但是錨桿荷載會超出極限荷載而失效。

2.支護合適，掘進后3—8天內(nèi)支護（空間滯后8m—20m），不僅圍巖處于減速松弛階段，有利于減小圍巖最終松弛深度，而且錨桿工作荷載合適。

3.支護最遲時間，掘進后最遲16天內(nèi)支護，該階段內(nèi)，圍巖處于穩(wěn)速松弛階段，此時支護不會減小松弛程度，而且錨桿工作荷載也沒有充分利用。

4.支護太遲，如果在支護最遲時間內(nèi)仍未支護，圍巖會進入加速松弛階段，最終導(dǎo)致圍巖破壞，難以控制。

因此掘進現(xiàn)場必須選擇最佳支護時機，對圍巖進行合理支護，保證巷道掘進環(huán)境的安全性和工期的如期完成。

四、結(jié)論

綜上可以看出，在課堂上，老師只有經(jīng)過這樣的數(shù)值模擬圖結(jié)合理論知識，靈活運用數(shù)值模擬圖的作用，才能清晰直觀地反映出巷道周圍圍巖的破壞情況，這樣既為施工提供了有力的依據(jù)和方案，也給學(xué)生們呈現(xiàn)出直觀的破環(huán)機理。同時也將學(xué)生們的思維帶入現(xiàn)場工程中去，給學(xué)生們制造一種親臨現(xiàn)場教學(xué)的感覺，這樣才能提高學(xué)生們對這門學(xué)科的學(xué)習興趣，也能使學(xué)生們把理論與實際相結(jié)合，使學(xué)生們對采礦工程這門專業(yè)有了新的認識，在未來的工作中得以運用和發(fā)展。

參考文獻：

[1]郝憲杰，袁亮，盧志國，等.考慮煤體非線性彈性力學(xué)行為的彈塑性本構(gòu)模型[J].煤炭學(xué)報，2017，42（04）：896-901.

[2]張鮮花，靳瑰麗，汪洋，吳詠梅.案例教學(xué)法在《草地資源信息技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2017，（15）：1-2.endprint