復雜地形條件下井下圍巖支護方案的優化研究

王國瑞

摘要：錨桿支護是深井圍巖支護中最常用的支護方法。隨著智能算法的應用越來越普遍，該算法可作為巖石支護設計的參考。采用分組算法優化錨桿支護設計，使錨桿支護設計更加合理。根據工程經驗提出的初步參數，采用數值參數對支護參數進行優化，取得了具有指導意義的研究成果。

關鍵詞：深井;參數優化;力學分析

前言：

隨著開采規模和開采強度的增加，淺層資源逐漸減少，資本資源的開發已成為人類的必然選擇。圍巖明顯軟化，巷道變形嚴重，嚴重影響正常生產，具有典型的深部開采特征。為了研究深部巷道圍巖穩定性控制理論，有必要研究深部巷道圍巖的分類方法和標準。因此，在深入研究高壓巷道支護理論的基礎上，支護材料和設備的研究與開發對為深部采煤技術提供技術支持具有重要意義。21世紀初，越來越多的金屬礦將進入深部開采。深部地層壓力問題將成為制約我國礦山安全生產、資源回收和經濟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企業面臨的主要技術問題。解決深井壓力問題必然是我國礦業發展的主要技術發展方向。為此，國家對深井硬巖礦山開采、地表壓力和巖爆進行了專項研究。巷道支護參數優化是巷道支護設計定量決策的關鍵。支護參數設計的安全性和經濟性的確定對安全生產和經濟效益有很大的影響。錨桿支護在各種形式的支護中起著重要的作用。近年來，許多學者對深井圍巖支護參數優化問題進行了深入的研究。

一、巖爆巷道支護機理研究

對復雜支護結構進行簡化后，可將其劃分為兩種支護功能：圍巖加固和懸架支護。在這兩種功能中，加強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、噴射混凝土、電纜或其組合組成。對周圍巖石和錨點進行加固，以增加周圍巖石的強度，并形成能夠承受周圍巖石壓力的巖石拱形。懸索支護的作用是通過錨桿和作為懸索支護的單元來限制深部巖體中的碎巖。在正常的低應力條件下，這種影響主要是出于安全考慮，而不是周圍巖石本身的穩定性。然而，以往的研究表明，在正常低應力條件下，斷裂體和支護單元（如金屬網格和支護單元）將斷裂體限制在深巖體內，從而確保了道路在高應力條件下的穩定性。在高應力條件下，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運動。通過支撐結構單元的功能組合，使其具有兩個支撐結構單元的一些特點。在支護體系中，錨在圍巖加固中起著非常重要的作用。錨桿進入圍巖，吸收圍巖作用下的變形函數，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

根據巷道監測分析和變形特點，結合礦井以往的實踐，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。巷道圍巖應力隨埋深的增加而增大。一些原為堅硬巖石的巖石變形特征，在高應力下變軟斷裂。軟巖的特點使巷道變形破壞嚴重。巷道周圍應力明顯，比圍巖的自體強度大。第二，地質構造的影響。塘口市煤炭工業地質構造復雜，接頭和裂縫發育。由于巷道頂部巖體存在大量的裂縫，降低了圍巖的完整性，膠結度差，抗壓強度低。同時，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育，形成了惡性循環，使巖體的特征明顯劣化，不能滿足巷道支護要求。第三，不合理的支承設計。南線主干線支護設計采用的是工程類比法，缺乏理論基礎，沒有根據圍巖的地質條件和圍巖的應力特點選擇合理的支護形式和支護時間，支護強度不足，剛度與強度不相適應。此外，底板沒有有效控制，造成路面嚴重損壞。第四，工程質量的影響。隧道施工過程中，由于施工過程中的陰影噪聲，不能完全實現表面的光滑爆破，存在明顯的隆起現象和火炮沖擊裂紋。此外，臨時支護失敗或支護強度不夠，錨桿（索）初始錨固不夠，混凝土水灰比不能滿足設計要求，混合噴涂不均勻等，大大降低了圍巖的承載能力，不能滿足支護體與圍巖變形協調的要求。

（二）支護對策

綜上所述，傳統的支護方法和單一措施已不能滿足深部隧道的工程要求，必須根據變形破壞的原因和優化原則采取以下支護措施。第一，選擇合理的圍巖層布局。根據工程地質條件和生產需要，巷道布置應統籌兼顧。巷道位置最好在工程地質好、圍巖完整、斷裂強度高的巖層中。第二，巷道分段形狀的優化。巷道斷面形狀應適應土應力分布，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，加強屋面底板控制。根據巷道破壞情況，頂板變形嚴重，可以改善軟弱圍巖的力學性能和局部圍巖應力狀態，減少軟弱圍巖的劇烈變形，使其變形與圍巖協調。第四，改進施工方法。在條件不允許的情況下，采用光學爆破降低巖石振動，控制圍巖環縫開裂，保持圍巖整體強度，盡量保持道路平整，避免出現大的不均勻現象，減小應力分布不均和局部應力集中。第五，科學施工程序和二級支持。由于巷道圍巖變形時間較長，支護不宜過早，允許有適當的變形量。但是，考慮到圍巖的應力特性，支護越早、越及時越好，必須采用二次支護。掘進巷道后，巷道成為支護主體，具有足夠的支護阻力、靈活性和可伸縮性。結語：

根據巷道變形和破壞的原因，按照優化原則，選擇合理的巷道圍巖厚度、優化巷道斷面形狀、加強頂板控制、改進施工方法、科學施工程序和二次支護等優化對策。我國深井硬巖礦支護研究尚處于起步階段。結合我國的實際情況，今后需要加強以下幾個方面的工作：建立相應的監測系統;加強對巖石形成和破壞機理的研究;對支護的理論研究;對巖石爆破支護的新研究。支護結構和材料;巷道沖擊地壓防治措施研究;制定支護安全規范和管理措施。

參考文獻：

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