“巷道分层掘进中支护时机的选择”课程教学探讨

郝宪杰+郑派+李玉麟+郭延定

摘要：本文以大学采矿工程专业为例，对采矿工程中的巷道分层掘进与支护时机的选择做详细的分析和呈现，使学生在巷道生产实习的认识基础上，学会利用各种数值模拟软件科技化、数字化、信息化的特征，对巷道分层掘进支护时机的选择实现定量化决策，使学生对采矿工程专业中巷道支护时机的原则有了更新的认识和了解。

关键词：采矿工程；巷道分层掘进；支护时机；数值模拟

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）05-0125-03

由于支护时机对于巷道支护的重要性，使得支护时机的选择既是教学中的一个难点，也是科研工作中的重点。在采矿工程中，巷道的掘进是最基本的一项工序，巷道由于在掘进之后，巷道周围的围岩会受到外部应力或受到采掘扰动后变形破坏。此时围岩若不及时支护控制，巷道围岩就会产生破坏变形等。但有时巷道周围的围岩本身具有一定的承载能力和强度，这些破坏和变形等可能伴随着时间的推移而延长，所以由于这些因素的存在，必须对支护时机进行正确的判断和选择。因此，合理的支护时机实际上是围岩自身稳定性与支护构件承受荷载之间的相互博弈。所以选择一个合理而科学的支护时机是关键，这样既能保证巷道掘进的安全性，同时也节约了支护的成本。所以支护时机的选择在采矿工程中有着非常关键的重要意义。

一、支护的教学设计

在采矿工程中，说起巷道，学生们都知道，巷道是煤矿开采过程中最基本的组成部分，在巷道的施工过程中，可分为掘进和支护两个步骤。但是学生们不知道在巷道的掘进过程中，巷道围岩是如何破坏的，同时也不知道对于在掘进过程中应该选择哪个时间进行支护才能保证安全和掘进的速度。相应的理论知识从“采煤概论”中都能找到，但是对该问题的深刻理解却很难。巷道在掘进过程中围岩会在外部应力的作用下和人为的扰动下，巷道周围的围岩会发生快速剧烈的变形，所以对围岩变形的研究、监测和控制是保证巷道安全掘进的前提，对巷道的支护和时机的选择是保证巷道安全施工的关键。围岩的支护技术及支护时间的选择对巷道分层掘进施工有着非常重要的意义。

如果只对上述理论进行课堂口述，一方面是学生们对这门专业无法产生兴趣，另一方面也无法在实践过程中得以运用和提升。而数值模拟软件，由于其科技化、数字化、信息化的特征，对巷道分层掘进支护时机的选择实现定量化决策，目前已经在生产实际中得到了大量使用，采用该方法，既可以使课程生动有趣，抓住学生眼球，同时还可以使课堂授课形象直接，从而使学生对采矿工程专业中巷道支护时机的原则有了更新的认识和了解。

二、支护设计的空间效应

在采矿工程中，巷道分层掘进后，由于围岩的卸荷特性，使其对洞室群稳定性产生影响。巷道掘进同时存在着空间效应和时间效应，但现场数据为两者综合效应，因此只采用现场数据难以使学生对于空间效应和时间效应产生认识，而数值模拟可以很好地解决这个问题。如图1为只考虑空间效应的数值模拟结果。

在巷道第一层掘进时，在一定距离选择一个断面进行数据监测，并对大量监测数据进行处理，得出数值模拟结果。从图1中可以直观清晰地看出，在距监测断面距离不同的位置，巷道周围围岩的变形程度和影响范围截然不同，这样就能确定巷道在掘进第一层时，巷道围岩影响范围和变形程度，从图1中可以看出第一层掘进的空间效应不明显，影响范围为-2m—10m，这些数据和模拟图将作为工程中的参考依据。

在进行第二层掘进时，在同样的检测位置进行数据收集和监测，并对数据进行处理，可知围岩的影响范围和变形程度均比在第一层大，掘进的空间效应相对明显，其影响范围为-20m—20m。此时现场工作人员必须要及时进行对比分析，采取必要的有力支护措施进行控制。

在掘进第三层时，塑性区的发展范围和变形程度更加明显，对工程的安全和进展会造成一定的威胁和困难。

总结出如图3所示的巷道分层掘进在空间效应影响的结果，得出结论如下：

巷道分三层掘进时，均存在明显的空间效应，但是每层掘进时空间效应影响范围相对于检测点的位置（坐标原点）不同而不同，第一层掘进的空间效应的影响范围为-2m—10m，第二层掘进的空间效应的影响范围为-20m—20m，第三层掘进的空间效应的影响范围为-30m—30m，所以经过对比分析后知：在巷道三层掘进中，第二层掘进前后松弛深度变化最为明显，可能与第二层掘进空间尺寸最大有关。在只考虑空间效应的情况下，经过以上数值模拟图和结论对比分析，现场工作人员或科研人员必须对其提出正确的处理方案，确定最佳支护时机，对其进行支护和采取必要措施。保证工作环境的安全和采掘速度的提高。

三、巷道分層掘进支护的时间效应

在巷道掘进过程中，除了考虑空间效应，还需考虑时间效应，在巷道掘进过程中，掘进后开始考虑时效松弛，掘进速度为2.5m/天。在考虑时间效应和空间效应的情况下，可以分别计算第一、二、三层开挖时的围岩塑性区发展过程，其中典型的第三层数值模拟结果如图4所示。

将三层开挖时的时空效应数据进行对比和综合分析，如图5所示，可以得出结论如下：

三层掘进时，岩体时效松弛深度与掘进进尺长度均呈现对数关系，即初始增长速率很快，而后逐渐减缓；围岩时间效应影响程度较大的范围均在0—30m之间，即12天内，而后影响程度减弱，趋于稳定。经过时间效应和空间效应综合分析后知：在每一次掘进时，围岩松深度增加的幅度均不同，其中在第二层掘进时，幅度增加为最大。由此可见，在第二层掘进时应进行及时支护，而第一层和第三层开挖后，可以采用滞后支护。

结合以上分析，所以在巷道分层掘进过程中，支护时机的选择是关键。则得出如下结论：

1.支护太早，掘进后3天内支护（空间滞后8m以内），虽然围岩处于减速松弛阶段，有利于围岩稳定，但是锚杆荷载会超出极限荷载而失效。

2.支护合适，掘进后3—8天内支护（空间滞后8m—20m），不仅围岩处于减速松弛阶段，有利于减小围岩最终松弛深度，而且锚杆工作荷载合适。

3.支护最迟时间，掘进后最迟16天内支护，该阶段内，围岩处于稳速松弛阶段，此时支护不会减小松弛程度，而且锚杆工作荷载也没有充分利用。

4.支护太迟，如果在支护最迟时间内仍未支护，围岩会进入加速松弛阶段，最终导致围岩破坏，难以控制。

因此掘进现场必须选择最佳支护时机，对围岩进行合理支护，保证巷道掘进环境的安全性和工期的如期完成。

四、结论

综上可以看出，在课堂上，老师只有经过这样的数值模拟图结合理论知识，灵活运用数值模拟图的作用，才能清晰直观地反映出巷道周围围岩的破坏情况，这样既为施工提供了有力的依据和方案，也给学生们呈现出直观的破环机理。同时也将学生们的思维带入现场工程中去，给学生们制造一种亲临现场教学的感觉，这样才能提高学生们对这门学科的学习兴趣，也能使学生们把理论与实际相结合，使学生们对采矿工程这门专业有了新的认识，在未来的工作中得以运用和发展。

参考文献：

[1]郝宪杰，袁亮，卢志国，等.考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型[J].煤炭学报，2017，42（04）：896-901.

[2]张鲜花，靳瑰丽，汪洋，吴咏梅.案例教学法在《草地资源信息技术》教学中的应用[J].教育教学论坛，2017，（15）：1-2.endprint