復(fù)雜地形條件下井下圍巖支護(hù)方案的優(yōu)化研究

王國(guó)瑞

摘要：錨桿支護(hù)是深井圍巖支護(hù)中最常用的支護(hù)方法。隨著智能算法的應(yīng)用越來越普遍，該算法可作為巖石支護(hù)設(shè)計(jì)的參考。采用分組算法優(yōu)化錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，使錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)更加合理。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出的初步參數(shù)，采用數(shù)值參數(shù)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了具有指導(dǎo)意義的研究成果。

關(guān)鍵詞：深井;參數(shù)優(yōu)化;力學(xué)分析

前言：

隨著開采規(guī)模和開采強(qiáng)度的增加，淺層資源逐漸減少，資本資源的開發(fā)已成為人類的必然選擇。圍巖明顯軟化，巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，具有典型的深部開采特征。為了研究深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論，有必要研究深部巷道圍巖的分類方法和標(biāo)準(zhǔn)。因此，在深入研究高壓巷道支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，支護(hù)材料和設(shè)備的研究與開發(fā)對(duì)為深部采煤技術(shù)提供技術(shù)支持具有重要意義。21世紀(jì)初，越來越多的金屬礦將進(jìn)入深部開采。深部地層壓力問題將成為制約我國(guó)礦山安全生產(chǎn)、資源回收和經(jīng)濟(jì)效益的主要因素之一。深部開采壓力和高原壓力將成為金屬礦業(yè)企業(yè)面臨的主要技術(shù)問題。解決深井壓力問題必然是我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)發(fā)展方向。為此，國(guó)家對(duì)深井硬巖礦山開采、地表壓力和巖爆進(jìn)行了專項(xiàng)研究。巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)定量決策的關(guān)鍵。支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的確定對(duì)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益有很大的影響。錨桿支護(hù)在各種形式的支護(hù)中起著重要的作用。近年來，許多學(xué)者對(duì)深井圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化問題進(jìn)行了深入的研究。

一、巖爆巷道支護(hù)機(jī)理研究

對(duì)復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，可將其劃分為兩種支護(hù)功能：圍巖加固和懸架支護(hù)。在這兩種功能中，加強(qiáng)周圍巖石并起到懸架作用的支撐單元是錨栓，支撐單元由金屬網(wǎng)、噴射混凝土、電纜或其組合組成。對(duì)周圍巖石和錨點(diǎn)進(jìn)行加固，以增加周圍巖石的強(qiáng)度，并形成能夠承受周圍巖石壓力的巖石拱形。懸索支護(hù)的作用是通過錨桿和作為懸索支護(hù)的單元來限制深部巖體中的碎巖。在正常的低應(yīng)力條件下，這種影響主要是出于安全考慮，而不是周圍巖石本身的穩(wěn)定性。然而，以往的研究表明，在正常低應(yīng)力條件下，斷裂體和支護(hù)單元（如金屬網(wǎng)格和支護(hù)單元）將斷裂體限制在深巖體內(nèi)，從而確保了道路在高應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性。在高應(yīng)力條件下，巖石明顯斷裂，常伴有較大的巖石變形。巖體的破壞通常伴隨著巖體的變形。通過保持裂隙巖體，可以有效地控制巖體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。通過支撐結(jié)構(gòu)單元的功能組合，使其具有兩個(gè)支撐結(jié)構(gòu)單元的一些特點(diǎn)。在支護(hù)體系中，錨在圍巖加固中起著非常重要的作用。錨桿進(jìn)入圍巖，吸收圍巖作用下的變形函數(shù)，提高圍巖的自持能力。

二、巷道圍巖變形破壞成因分析及配套措施

（一）巷道圍巖變形破壞原因分析

根據(jù)巷道監(jiān)測(cè)分析和變形特點(diǎn)，結(jié)合礦井以往的實(shí)踐，得出了巷道圍巖變形破壞的原因如下：第一，隧道深度的影響。巷道圍巖應(yīng)力隨埋深的增加而增大。一些原為堅(jiān)硬巖石的巖石變形特征，在高應(yīng)力下變軟斷裂。軟巖的特點(diǎn)使巷道變形破壞嚴(yán)重。巷道周圍應(yīng)力明顯，比圍巖的自體強(qiáng)度大。第二，地質(zhì)構(gòu)造的影響。塘口市煤炭工業(yè)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，接頭和裂縫發(fā)育。由于巷道頂部巖體存在大量的裂縫，降低了圍巖的完整性，膠結(jié)度差，抗壓強(qiáng)度低。同時(shí)，地下水的存在使松散斷裂的巖體混濁，極大地降低了巖體的強(qiáng)度和承載力，使巖體更具可破壞力，加速了周圍巖石裂縫的發(fā)育，形成了惡性循環(huán)，使巖體的特征明顯劣化，不能滿足巷道支護(hù)要求。第三，不合理的支承設(shè)計(jì)。南線主干線支護(hù)設(shè)計(jì)采用的是工程類比法，缺乏理論基礎(chǔ)，沒有根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件和圍巖的應(yīng)力特點(diǎn)選擇合理的支護(hù)形式和支護(hù)時(shí)間，支護(hù)強(qiáng)度不足，剛度與強(qiáng)度不相適應(yīng)。此外，底板沒有有效控制，造成路面嚴(yán)重?fù)p壞。第四，工程質(zhì)量的影響。隧道施工過程中，由于施工過程中的陰影噪聲，不能完全實(shí)現(xiàn)表面的光滑爆破，存在明顯的隆起現(xiàn)象和火炮沖擊裂紋。此外，臨時(shí)支護(hù)失敗或支護(hù)強(qiáng)度不夠，錨桿（索）初始錨固不夠，混凝土水灰比不能滿足設(shè)計(jì)要求，混合噴涂不均勻等，大大降低了圍巖的承載能力，不能滿足支護(hù)體與圍巖變形協(xié)調(diào)的要求。

（二）支護(hù)對(duì)策

綜上所述，傳統(tǒng)的支護(hù)方法和單一措施已不能滿足深部隧道的工程要求，必須根據(jù)變形破壞的原因和優(yōu)化原則采取以下支護(hù)措施。第一，選擇合理的圍巖層布局。根據(jù)工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)需要，巷道布置應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。巷道位置最好在工程地質(zhì)好、圍巖完整、斷裂強(qiáng)度高的巖層中。第二，巷道分段形狀的優(yōu)化。巷道斷面形狀應(yīng)適應(yīng)土應(yīng)力分布，主要由扁平橢圓形、倒拱型馬蹄形、半圓形或倒拱型矮墻組成。第三，加強(qiáng)屋面底板控制。根據(jù)巷道破壞情況，頂板變形嚴(yán)重，可以改善軟弱圍巖的力學(xué)性能和局部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減少軟弱圍巖的劇烈變形，使其變形與圍巖協(xié)調(diào)。第四，改進(jìn)施工方法。在條件不允許的情況下，采用光學(xué)爆破降低巖石振動(dòng)，控制圍巖環(huán)縫開裂，保持圍巖整體強(qiáng)度，盡量保持道路平整，避免出現(xiàn)大的不均勻現(xiàn)象，減小應(yīng)力分布不均和局部應(yīng)力集中。第五，科學(xué)施工程序和二級(jí)支持。由于巷道圍巖變形時(shí)間較長(zhǎng)，支護(hù)不宜過早，允許有適當(dāng)?shù)淖冃瘟?。但是，考慮到圍巖的應(yīng)力特性，支護(hù)越早、越及時(shí)越好，必須采用二次支護(hù)。掘進(jìn)巷道后，巷道成為支護(hù)主體，具有足夠的支護(hù)阻力、靈活性和可伸縮性。結(jié)語(yǔ)：

根據(jù)巷道變形和破壞的原因，按照優(yōu)化原則，選擇合理的巷道圍巖厚度、優(yōu)化巷道斷面形狀、加強(qiáng)頂板控制、改進(jìn)施工方法、科學(xué)施工程序和二次支護(hù)等優(yōu)化對(duì)策。我國(guó)深井硬巖礦支護(hù)研究尚處于起步階段。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，今后需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：建立相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng);加強(qiáng)對(duì)巖石形成和破壞機(jī)理的研究;對(duì)支護(hù)的理論研究;對(duì)巖石爆破支護(hù)的新研究。支護(hù)結(jié)構(gòu)和材料;巷道沖擊地壓防治措施研究;制定支護(hù)安全規(guī)范和管理措施。

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