采礦巷道設計效率的研究

王永青

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036002）

引言

由于巷道功能和地質或采礦條件具有顯著多樣性，許多支護方案的施工解決方案被應用于新鉆的巷道[1-2]。在支護方案的選擇過程中，煤礦可以從多種設計工具中進行選擇，從純粹的經驗方法，直接基于迄今為止積累的經驗，到基于分析計算的方法，再到數值方法[3-4]。復雜的監(jiān)測往往有助于礦山巷道的設計和維護過程，監(jiān)測基于記錄所有發(fā)生在地下巷道周圍的重要現象和支護的特定元素[5]。因此，設計最優(yōu)支護方案，即最適合當地采礦和地質條件的支護方案，似乎是一項相對簡單的任務。

本研究利用所識別的因素，提出了一種基于巷道設計效能指數RDE和巷道功能維護指數RFM的挖掘功能評估方法，主要目標是開發(fā)更多的工具，以促進硬煤礦井下巷道支護方案的設計過程。

1 制定指標方法

地下煤礦的維護效果取決于設計、巷道質量、工作條件，其中合理工作條件包括巷道面積大小隨時間產生的變化。通過對井下掘進圍巖及支護的大量探索，研究表明支護參數與沉積深度、巖性、強度參數、巖石可分性等基本地質條件并沒有嚴格的相關性，在支護方案的選擇過程中，需要考慮自然、開采、工藝等因素。

因此，有效維護井下巷道穩(wěn)定應基于三個原則：支護方案的設計、開采巷道行為的監(jiān)測以及在開挖過程中必要時對支護方案進行修改。

事實上，由于所分析的問題涉及的因素很多，而且變化很大，所以應該把它看作是一個多準則問題。此外，部分參數是定性確定的，其余參數是定量確定的。本文采用層次分析法對上述參數相互關系進行研究，確定它們之間的相關性，并對這些參數進行分析。

2 設計效能指數和道路功能指數

為了評估支撐設計的有效性，利用了基于層次分析法的研究結果，如圖1所示。給出的每個因素都指定了一個值、一個設計效能指數和巷道功能指數。采用層次分析法計算各因素的權重，由專家組對影響巷道設計的各參數進行排序。在自然因素方面，專家指出橫過巷道的斷層是最重要的因素。其次是地震活動。該參數被列為自然因素，因為它依賴于天然巖體參數。特定因素的變化范圍是根據作者自己的專業(yè)知識估計的和其他研究人員的經驗。

圖1 采用層次分析法假設的指標集

每個因素的變化范圍分為6類，從最高的對設計產生積極影響，到最低的，最大程度地復雜化了巷道的設計和維護。根據文獻資料，根據負責支護方案的礦山部門收集的數據，以及作者自己的經驗，確定了特定因素的變化范圍。

在地質開采條件最有利的情況下，即上述各因素影響指數最高的情況下，巷道設計效能指數RDE各點之和可達300，最小值為60。采用6點分級標準，第6級表示完全沒有設計安全支護的可能性，如表1所示，這表明需要為開采巷道尋找一個全新的位置。

表1 采礦巷道支護方案效果分析

結合巷道設計效率指標RDE的取值，可以確定巷道功能維護指標RFM。RFM指標與設計有效性指標存在相關性，因為發(fā)生的地質條件以及當前和未來的開采情況，也會對給定時間段內開采巷道維持功能的可能性產生重大影響。提出的與巷道功能維護指標之間的相互關系如表2所示。

設計過程中最重要的部分是優(yōu)化，即選擇最適合計劃采礦挖掘的支護。此時，將支座的承載能力調整到最有利的狀態(tài)。因此，在設計階段，對于地質開采條件較復雜的各地段，應提前做好必要的支護加固計劃。增加支架的承載能力或減少巖體的載荷，應根據減少框架間距、道具、托梁、錨桿、噴射混凝土或膠水等因素來獲得。具體加固方法的選擇取決于巷道的位置和作用。在不受任何積極開采前沿影響的挖掘情況下，所有的加固元素都可以應用。而在受開采影響的標題情況下，除噴射混凝土外，大多數加固方法都可以使用。為了定量地表征建議的加固類型，應確定原有支撐或全新支撐方案中附加元素的承載能力。因此，為了確定給定支護系統(tǒng)的承載能力，目前在硬煤開采中用于支護方案設計的方法同樣可以成功應用。

在初始階段，所提出的支護設計方法可以使支護方案的規(guī)劃具有修改后的承載能力（OMN），并根據設計巷道區(qū)域和分段內不斷變化的地質和采礦條件進行調整易受采礦活動未來可能產生的負面影響。

根據上述假設，在最有利的開采地質條件下設計主支護。每一預測惡化的條件都會導致巷道設計效率指數RDE值的降低，從而有必要對該支護進行加固。由表2的分析可知，RDE指標的取值范圍在60~300之間，因此該指標可能降低的范圍為240。這樣的解決方案使得相對于RDE指標的值，可以確定支護加固的設計方式。提出的提高支架承載能力的建議是由于目前在硬煤礦可獲得的技術可能性。但是，隨著進一步工作的進展，有可能進行核查。

表2 采礦巷道維護效率

該方法可用于確定當前地質開采條件和未來開采條件潛在變化的道路設計。在確定開挖標題中使用加固的必要性和范圍時，采用兩項指標，即巷道設計效率指數RDE（見圖2）和巷道功能維護指標RFM。

圖2 支承系統(tǒng)承載能力相對于RDE指標預測值的變化

根據巷道功能維護指標RFM的變化來改變支架承載能力，如圖3所示。

圖3 支撐系統(tǒng)承載能力相對于維護指標RFM預測值的變化

在圖3中，支架承載能力的變化趨勢與圖2相同。在實踐中，可以通過使用支撐物，將支撐的加固量增加到1.2 MN/m。

在支護結構中缺乏精確性，以及巷道體積與框架外部尺寸之間的關系，會導致預測RFM指數的嚴重困難。作為一個結果，可能會出現支護超載以及開挖收斂或支護變形。

3 結論

通過對巷道制作的具體階段的分析表明，所提出的指示方法可以作為目前應用的設計方法的有益補充，本研究提出的進一步步驟是創(chuàng)新的，因為下一階段的巷道設計應包括兩個全新的指標的確定，即巷道設計效能指數RDE和巷道功能維護指數RFM。針對特殊的地質和采礦條件的挖掘斷面，這一程序從數值上反映了具體斷面規(guī)劃開挖的設計和維護難度。

所提出的支護設計和控制方法從實用和經濟的角度來看都具有優(yōu)勢，使用具有修改的承重能力的支撐的可能性，在給定的開挖中采用單一的基本支護方案，并根據該支護方案進行專門調整的加固方法，是該方法的實際應用，如果發(fā)生過大的支護負荷，無論是預期的還是計劃外的，這種解決方案將顯著縮短決策過程。