《井巷工程》课程内容新体系研究

李迎富

【摘 要】本文阐述了《井巷工程》内容新体系，重点阐述了巷道支护内容变化，系统分析了服务年限、层位岩性、围岩结构、矿压影响、特殊区域等对巷道围岩稳定性影响，提出了巷道差异化支护方法，探索了一条复杂多变、难支护巷道支护智能决策的有效途径。

【关键词】《井巷工程》内容新体系；巷道支护传统内容体系；巷道差异化支护

1 《井巷工程》内容新体系

煤炭工业是国民经济的基础工业，在今后相当长的一段时间内，仍然作为我国的主体能源。随国民经济发展，新建了几十个矿区，煤炭产量由1995年的13.61亿吨增长到2016年的33.64亿吨。与此同时，井巷施工及支护技术得到迅猛发展。在立井施工方面[1-2]，使用了大型凿井绞车和提升机、新型凿井井架、深孔光面爆破、大型抓岩机等配套的机械化作业线。在比较复杂的工程地质和水文地质条件下，特殊凿井的比重逐渐增加[3]，井筒采用冻结法施工的最大冻结深度达到740m，注浆法施工的最大注浆深度达到1657m，沉井法施工的井筒最大下沉深度达到200.3m，帷幕法施工的帷幕深度最大达到57m。井筒设备的防腐技术也有了很大进步，使得井筒设备寿命延长1倍以上。在岩巷施工方面，以钻装锚机为主体的作业线，以及凿岩台车、侧卸转载机为主组成的作业线已广泛应用，全断面掘进机正在积极推广应用中。煤巷掘进采用部分断面掘进机。斜井施工已形成大箕斗、大耙斗、深孔光爆、锚喷支护等一套具有中国特色的机械化施工工艺和作业线。巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程，锚杆支护从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。据统计，每年我国煤矿巷道掘进量已经超过上万千米，因巷道支护问题造成的经济损失达到数十亿元，现以巷道支护为例说明《井巷工程》课程内容变化。

2 巷道支护传统的内容体系

巷道支护传统内容体系包括巷道支护原理、支护形式及其设计方法。

1）巷道支护形式

（1）砌碹支护属于刚性被动支护，施工工序复杂，劳动强度大，施工速度慢，效率低，抵抗动压能力差。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。

（2）棚式支架也属于被动支护，支架与巷道表面很难密切接触，控制围岩早期变形的能力差，在复杂困难条件下支护效果差、成本高。

（3）锚喷支护至今已有50 多年的历史。喷射混凝土可及时封闭围岩，防止风化；改善围岩的应力状态，恢复三向应力状态；填凹补平消除应力集中；混凝土与围岩共同变形，围岩应力释放，混凝土变形后受到压缩，支护反力增加，可抑制更大变形；射入缝隙，增强岩块间黏结力，防护锚杆间危石掉落。锚杆起到主动加固作用，充分发挥围岩自承能力。

（4）注浆加固可改变围岩松散破碎结构，提高其粘结力、内摩擦角和围岩整体性，使围岩为锚杆提供可靠的着力基础，充分发挥锚杆对松散破碎岩层的锚固作用。

（5）混凝土钢管支护把混凝土灌入钢管中并捣实以加大钢管的强度和刚度，钢管混凝土能够将混凝土和钢材抗二者的优点结合在一起，具有：①承载力高、延性好，抗震性能优越；②施工方便，工期大大缩短；③有利于钢管的抗火和防火；④耐腐蚀性能优于钢结构。

（6）复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道，虽然适用范围广，但支护费用高，成巷速度慢。

2）巷道支护原理

1）古典压力理论及坍落拱理论

古典压力理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量7倍，但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处。于是，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基理论和普氏理论，此类理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关，其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。

2）新奥法

奥地利人L.v.Rabcewicz 根据本国多年隧道施工经验总结出的一种施工方法，其主要原则为：（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动；（2）充分发挥围岩的自承能力；（3）尽快使支护结构闭合；（4）加强监测，根据监测数据指导施工，可概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”。

3）联合支护理论

冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，特别是对于松软岩土围岩要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。

4）锚喷一弧板支护理论

孙钧、郑雨天和朱效嘉等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度后，要坚决顶住。即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理論先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。

5）松动圈理论

松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

6）锚杆支护理论

锚杆支护理论包括：悬吊理论、组合梁理论、加固拱（压缩拱）理论、最大水平应力理论、弱岩强度强优理论等。近年来锚杆支护技术快速发展，尤其是在澳、美、英等锚杆支护技术先进国家，锚杆支护在巷道围岩控制中占有极高的比重。我国于20世纪50年代初首先在煤炭、冶金系统的地下工程领域试验锚杆支护技术，以后逐渐发展到铁道、水电、军工等系统，取得了很大成就，并积累了丰富的经验。近年来，煤矿锚杆支护发展很快，2005年，国有煤矿锚喷支护达到了50%，其中，岩巷80%，半煤岩巷道60%，煤巷30%。endprint

3）巷道支护设计方法

1984年，美国麻省理工学院W.S.（Dershowitz）与H.H.Einstein首先发表了题为“人工智能在岩石力学中应用”的课题，在此以后，岩石力学领域神经网络研究发展迅速。

1992年，北方交通大学张清在利用神经元网络预测岩石或岩石工程的力学性态，开始了神经网络的工程应用。

东北大学的冯夏庭等将神经网络方法应用于采矿方法及露天矿边坡稳定性的研究。

河海大学的陈国荣以及安徽理工大学的谢广祥等利用神经网络原理，开发了锚杆支护设计系统。

2002年，重庆大学的许明，采用动力瞬态激振使锚杆引起弹性振动，通过测定锚杆的振动响应来估计和推断锚杆的极限承载力，将人工神经网络这类非线性动力学系统运用于该灰色系统的预测。

2006年，武汉岩土力学研究所的刘明贵等将小波分析和人工神经网络结合起来，采用数值模拟得到锚杆外端部的动态响应并进行小波分析，从各分量中提取特征向量，然后，将这些特征向量输入人工神经网络进行训练，训练后的神经网络根据实测信号的特征向量对锚杆锚固质量进行智能化分类。

3 巷道支护传统内容体系存在的问题及其分析

（1）每条巷道地质条件和应力环境千差万别，应针对巷道具体条件，进行巷道围岩分类，依据围岩分类，选择合理的巷道支护形式，才能达到预期效果。

（2）由于巷道支护问题的复杂性，在实际生产中，需要做大量的前期工作。因此，采用计算机进行编程，分别将巷道影响因素指标量化，开展不同地质条件巷道围岩分类，通过大量调研、资料收集，构建巷道样本库，结合现有巷道支护理论与技术，确定巷道基本支护方案（即：一巷一策），采用定性与定量相结合，细化差异化支护方案（即：一巷多策），并研发可视化的智能操作软件，实现巷道支护智能决策功能。

4 巷道支护新内容

（1）构建了包含巷道类型、区域特征、围岩物理力学参数、支护参数、巷道矿压特征、支护效果评价等信息的巷道样本数据库。

（2）采用有限差分法，模拟计算出分类指标与围岩塑性率的函数关系，依据围岩塑性率函数的斜率变化，确定随围岩条件变化的动态指标权值。

（3）构建样本巷道数据库，提出了巷道围岩稳定性分类指标体系，进行了巷围岩稳定性整体分类和次分类。

（4）明确巷道差异化支护对象

主要做好服务年限、层位岩性、顶底两帮、地压影响、特殊区域五个方面的差异化支护。服务年限较长的开拓准备巷道要充分考虑层位、地压等因素，宜适度提高支护标准、安全系数，做到一次投入、长期服务；服务年限较短的回采巷道，支护标准要切合实际，安全可靠，经济合理，不得盲目提高支护强度。

同一回采巷道內应根据回采时间不同实施差异化支护；同一巷道应根据层位、岩性不同实施差异化支护；岩巷锚喷支护拱部与帮部宜实施差异化支护；煤巷锚杆支护沿空掘进巷道的沿空帮、实体煤帮以及切眼的老塘帮、煤壁帮宜实施差异化支护。锚杆规格、锚固剂数量宜差异化设计。

地应力大小、动压影响程度不同，巷道支护形式及参数应差异化设计；对巷道交岔点（三、四岔门）、扩大断面、构造区、破碎区、淋水区、冒顶区、过老空区等特殊地段，应提高支护强度。

（5）提出围岩地质力学评估→围岩稳定性分类→基本支护方案确定→差异支护参数设计→支护效果检测与优化的分类差异支护设计思路，并研发巷道支护智能决策系统。

5 结语

（1）随着开采深度、开采强度的不断提高，传统的巷道支护设计方法及单一的巷道支护形式难以满足要求。因此，需要因巷制宜，多种支护形式并存，分类设计巷道支护参数。

（2）结合巷道支护的成功实例，构建了包含巷道类型、区域类型、围岩力学参数、支护参数、支护效果评价等信息的巷道样本数据库，在综合考虑巷道类型及服务年限、区域类型、整体分类及围岩次分类基础上，优选试验巷道的支护方案，将繁琐的理论计算与成功的支护实例紧密联系起来，实现巷道支护决策“安全可靠、经济合理”。

（3）提出了围岩地质力学评估→围岩稳定性分类→基本支护方案确定→差异支护参数设计→支护效果检测与优化的分类差异支护设计思路，研发了巷道支护智能决策系统，提高巷道支护效率。

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[责任编辑：朱丽娜]endprint