礦井回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方法研究

王芳林

（山西忻州神達(dá)棲鳳煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036000）

引言

在地下采礦中，巖石支撐和加固的主要目的是保持挖掘物在預(yù)定壽命內(nèi)的安全與開放。目前，在我國各種地質(zhì)條件下的煤礦中，普遍使用錨桿支護(hù)，其有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。為了保證采礦作業(yè)的強(qiáng)度，應(yīng)該對現(xiàn)有的錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以減少礦井工作面的工程集中度，以在不違反安全規(guī)則的情況下，使礦井工作面的主要錨桿設(shè)置更加合理。

1 錨桿支護(hù)

在巷道進(jìn)行正式開挖的過程中，圍巖原本的力學(xué)靜態(tài)平衡會受到破壞。為了避免由此而引發(fā)的圍巖破壞，需要采取合理的支護(hù)，從而保護(hù)圍巖的穩(wěn)定形態(tài)，避免產(chǎn)生過度破裂。在巷道支護(hù)的諸多形式中，錨桿支護(hù)是較為良好的形式之一，其可以對圍巖的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行改變，一定程度上提高圍巖的強(qiáng)度，對巷道的穩(wěn)定性起到了重要影響。

2 礦井回采巷道破壞類型和機(jī)理

2.1 局部落石破壞

局部落石破壞的形式通常是巖塊從弱面拉斷或滑移、落石產(chǎn)生坍落等。在實(shí)際工作過程中，局部落石的情況很難被完全控制，因為其影響因素太多，包括地質(zhì)原因、施工原因等。例如，在施工方面，可能因為爆破松動作用等而產(chǎn)生局部落石破壞；在地質(zhì)方面，可能因為結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化潮解等而形成局部落石破壞。即使在圍巖狀態(tài)很穩(wěn)定的情況下，也有可能發(fā)生局部落石破壞的情況。圍巖本身的自重就是局部落石破壞產(chǎn)生的主要受力原因，其次是圍巖應(yīng)力。

2.2 拉斷破壞

在強(qiáng)度相對較低、破碎的巖體中，可能會發(fā)生拉斷破壞，這是一種因受拉出現(xiàn)的破壞形式，主要包括拉裂破壞和折斷破壞。在層狀巖體中通常會出現(xiàn)折斷破壞，在結(jié)構(gòu)面發(fā)生的拉斷破壞通常是拉裂破壞[1]。

2.3 重剪破壞

重剪破壞也是礦井回采巷道破壞的主要類型之一，其主要發(fā)生在弱面，因為剪應(yīng)力還沒有超過巖石抗剪強(qiáng)度，只是弱面中的剪應(yīng)力超過了弱面抗剪強(qiáng)度，在巖性堅硬和弱面發(fā)育的巖體中較容易產(chǎn)生這種破壞形式[2]。如果在工作中發(fā)生這種破壞形式，其往往比局部落石破壞更嚴(yán)重，因為其受多種因素影響，范圍相對更大。

2.4 剪切破壞和復(fù)合破壞

在弱巖圍巖中，剪切破壞是最為常見的形式，同時，如果在堅硬的巖體上受到高應(yīng)力作用時，也可能出現(xiàn)此種破壞形式。在這種破壞形式發(fā)生時，會出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)那闆r，最終發(fā)展至頂部。如果進(jìn)而出現(xiàn)了打斷破壞或新的剪切破壞，則屬于復(fù)合破壞。復(fù)合破壞與巖性有很大的關(guān)系，如果破壞形式表現(xiàn)出片幫、冒頂，則是脆性巖體，如果圍巖從四周巷道蠕動則是流變性巖體。

2.5 巖爆破壞

在實(shí)際作業(yè)中，有時會出現(xiàn)因巖體內(nèi)儲存的彈性能被突然釋放而產(chǎn)生的圍巖巖體突然拋落的情況，這就是巖爆破壞。這種情況常出現(xiàn)在脆性巖體中，相對而言是較特殊的一種形式。巖爆破壞其實(shí)是一種脆性斷裂，因為巖體的應(yīng)力超過強(qiáng)度，同時，其在受力后將能量積聚成了應(yīng)變能，從而突然猛烈釋放，產(chǎn)生了巖爆破壞。

2.6 潮解膨脹破壞

如果巖體發(fā)生了軟化崩解、強(qiáng)烈膨脹等現(xiàn)象時，往往是發(fā)生了潮解膨脹破壞，這主要是因為圍巖遇水而導(dǎo)致的。潮解膨脹巖層中有很多活動型礦物蒙脫石，所以遇水會產(chǎn)生反應(yīng)，吸水后會導(dǎo)致體積擴(kuò)大。這種情況會使圍巖的強(qiáng)度受到極大的破壞，如果發(fā)生這種情況，應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù)，封閉圍巖。

3 礦井回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方法

3.1 工程類比法

這是一種在很大程度上依靠工作人員專業(yè)性的方法，相對應(yīng)用也較廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，其主要是依據(jù)多年來國內(nèi)外積累下來的成功工程經(jīng)驗，將當(dāng)前的工程與之進(jìn)行工程類比，從而直接得出相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。這對于工作人員的專業(yè)性要求極高，同時也需要工作人員具備較為豐富的工作經(jīng)驗。在實(shí)際工作中，這種方法需要將巖體進(jìn)行正確分類，從而可以從其他工程中選擇相應(yīng)條件的經(jīng)驗進(jìn)行工程類比，進(jìn)而得出合適的設(shè)計方案。在采用這種方法時，必須嚴(yán)格保障工作人員的專業(yè)能力水平，避免因工作人員專業(yè)性不足而導(dǎo)致的失誤。

3.2 理論計算法

理論計算法是相關(guān)研究人員希望通過理論公式完美設(shè)計出支護(hù)結(jié)構(gòu)的嘗試，但實(shí)際的工程情況較為復(fù)雜，目前尚未有絕對完美的方法。在實(shí)際的理論計算法中，主要分為懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論和松動圈支護(hù)理論四種。這種方法的一些假設(shè)和真正工作中的實(shí)際情況具有一定程度的差異，這使得其計算結(jié)果往往只能作為一種參考。

3.3 數(shù)值模擬法

這種方法主要是依靠計算機(jī)數(shù)值模擬計算的，需要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)的專用軟件進(jìn)行求解，從而得出相應(yīng)的錨桿支護(hù)參數(shù)。這種方法嚴(yán)格保證了計算過程的精確性，但也存在一定的不足，因為其涉及條件較多，相關(guān)人員如果了解不充分或輸入失誤，很可能使結(jié)果與實(shí)際情況相差過大，從而無法應(yīng)用于工程中。在實(shí)際工作中，相關(guān)人員需要非常了解計算機(jī)軟件，同時，還需要對介質(zhì)類型、邊界條件等明確掌握，保障計算的準(zhǔn)確性。

3.4 專家系統(tǒng)法

專家系統(tǒng)法主要是指由研究機(jī)構(gòu)、公司等開發(fā)的用于錨桿支護(hù)決策的系統(tǒng)，也是一種借助計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的方法。這種方法具有較高的權(quán)威性，根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)多名專家提供的相關(guān)知識和經(jīng)驗進(jìn)行合理的推理判斷，整個過程類似于人類專家的分析推理和決策過程。雖然這種方法一方面整合了人類專家的知識和經(jīng)驗，另一方面利用了最先進(jìn)的技術(shù)手段，但也存在很大的局限性。因為不同專家系統(tǒng)中的指標(biāo)權(quán)值分配等受到很大的人為因素影響，而且數(shù)據(jù)庫的信息具有一定的局限性。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程情況，確定是否選用專家系統(tǒng)，以及選用何種專家系統(tǒng)。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計法

這種方法相對較復(fù)雜，需要對工程現(xiàn)場的地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行評估，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，同時要進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，進(jìn)而設(shè)計初始方案，進(jìn)行施工和監(jiān)測，再依據(jù)監(jiān)測所得到的信息對原有設(shè)計進(jìn)行完善。此種方法相對較完善，也是實(shí)踐證明較科學(xué)的方法。但是，其也具有很大的局限性，例如，對于地應(yīng)力測試需要應(yīng)用較為先進(jìn)的設(shè)備，這使得工作的難度加大，而且很多施工現(xiàn)場很難具備要求的條件。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行判斷，如果施工現(xiàn)場的條件或設(shè)備要求難以滿足，則不可應(yīng)用此種方法，避免造成誤判。

4 結(jié)語

通過對礦井回采巷道破壞類型和機(jī)理的了解，合理選擇并運(yùn)用礦井回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的方法，可以更好地優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，從而促進(jìn)工程的順利完成。隨著科學(xué)技術(shù)和研究理論的不斷推進(jìn)，相關(guān)領(lǐng)域在未來必將得到更完善的發(fā)展。