采矿巷道设计效率的研究

王永青

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036002）

引言

由于巷道功能和地质或采矿条件具有显著多样性，许多支护方案的施工解决方案被应用于新钻的巷道[1-2]。在支护方案的选择过程中，煤矿可以从多种设计工具中进行选择，从纯粹的经验方法，直接基于迄今为止积累的经验，到基于分析计算的方法，再到数值方法[3-4]。复杂的监测往往有助于矿山巷道的设计和维护过程，监测基于记录所有发生在地下巷道周围的重要现象和支护的特定元素[5]。因此，设计最优支护方案，即最适合当地采矿和地质条件的支护方案，似乎是一项相对简单的任务。

本研究利用所识别的因素，提出了一种基于巷道设计效能指数RDE和巷道功能维护指数RFM的挖掘功能评估方法，主要目标是开发更多的工具，以促进硬煤矿井下巷道支护方案的设计过程。

1 制定指标方法

地下煤矿的维护效果取决于设计、巷道质量、工作条件，其中合理工作条件包括巷道面积大小随时间产生的变化。通过对井下掘进围岩及支护的大量探索，研究表明支护参数与沉积深度、岩性、强度参数、岩石可分性等基本地质条件并没有严格的相关性，在支护方案的选择过程中，需要考虑自然、开采、工艺等因素。

因此，有效维护井下巷道稳定应基于三个原则：支护方案的设计、开采巷道行为的监测以及在开挖过程中必要时对支护方案进行修改。

事实上，由于所分析的问题涉及的因素很多，而且变化很大，所以应该把它看作是一个多准则问题。此外，部分参数是定性确定的，其余参数是定量确定的。本文采用层次分析法对上述参数相互关系进行研究，确定它们之间的相关性，并对这些参数进行分析。

2 设计效能指数和道路功能指数

为了评估支撑设计的有效性，利用了基于层次分析法的研究结果，如图1所示。给出的每个因素都指定了一个值、一个设计效能指数和巷道功能指数。采用层次分析法计算各因素的权重，由专家组对影响巷道设计的各参数进行排序。在自然因素方面，专家指出横过巷道的断层是最重要的因素。其次是地震活动。该参数被列为自然因素，因为它依赖于天然岩体参数。特定因素的变化范围是根据作者自己的专业知识估计的和其他研究人员的经验。

图1 采用层次分析法假设的指标集

每个因素的变化范围分为6类，从最高的对设计产生积极影响，到最低的，最大程度地复杂化了巷道的设计和维护。根据文献资料，根据负责支护方案的矿山部门收集的数据，以及作者自己的经验，确定了特定因素的变化范围。

在地质开采条件最有利的情况下，即上述各因素影响指数最高的情况下，巷道设计效能指数RDE各点之和可达300，最小值为60。采用6点分级标准，第6级表示完全没有设计安全支护的可能性，如表1所示，这表明需要为开采巷道寻找一个全新的位置。

表1 采矿巷道支护方案效果分析

结合巷道设计效率指标RDE的取值，可以确定巷道功能维护指标RFM。RFM指标与设计有效性指标存在相关性，因为发生的地质条件以及当前和未来的开采情况，也会对给定时间段内开采巷道维持功能的可能性产生重大影响。提出的与巷道功能维护指标之间的相互关系如表2所示。

设计过程中最重要的部分是优化，即选择最适合计划采矿挖掘的支护。此时，将支座的承载能力调整到最有利的状态。因此，在设计阶段，对于地质开采条件较复杂的各地段，应提前做好必要的支护加固计划。增加支架的承载能力或减少岩体的载荷，应根据减少框架间距、道具、托梁、锚杆、喷射混凝土或胶水等因素来获得。具体加固方法的选择取决于巷道的位置和作用。在不受任何积极开采前沿影响的挖掘情况下，所有的加固元素都可以应用。而在受开采影响的标题情况下，除喷射混凝土外，大多数加固方法都可以使用。为了定量地表征建议的加固类型，应确定原有支撑或全新支撑方案中附加元素的承载能力。因此，为了确定给定支护系统的承载能力，目前在硬煤开采中用于支护方案设计的方法同样可以成功应用。

在初始阶段，所提出的支护设计方法可以使支护方案的规划具有修改后的承载能力（OMN），并根据设计巷道区域和分段内不断变化的地质和采矿条件进行调整易受采矿活动未来可能产生的负面影响。

根据上述假设，在最有利的开采地质条件下设计主支护。每一预测恶化的条件都会导致巷道设计效率指数RDE值的降低，从而有必要对该支护进行加固。由表2的分析可知，RDE指标的取值范围在60~300之间，因此该指标可能降低的范围为240。这样的解决方案使得相对于RDE指标的值，可以确定支护加固的设计方式。提出的提高支架承载能力的建议是由于目前在硬煤矿可获得的技术可能性。但是，随着进一步工作的进展，有可能进行核查。

表2 采矿巷道维护效率

该方法可用于确定当前地质开采条件和未来开采条件潜在变化的道路设计。在确定开挖标题中使用加固的必要性和范围时，采用两项指标，即巷道设计效率指数RDE（见图2）和巷道功能维护指标RFM。

图2 支承系统承载能力相对于RDE指标预测值的变化

根据巷道功能维护指标RFM的变化来改变支架承载能力，如图3所示。

图3 支撑系统承载能力相对于维护指标RFM预测值的变化

在图3中，支架承载能力的变化趋势与图2相同。在实践中，可以通过使用支撑物，将支撑的加固量增加到1.2 MN/m。

在支护结构中缺乏精确性，以及巷道体积与框架外部尺寸之间的关系，会导致预测RFM指数的严重困难。作为一个结果，可能会出现支护超载以及开挖收敛或支护变形。

3 结论

通过对巷道制作的具体阶段的分析表明，所提出的指示方法可以作为目前应用的设计方法的有益补充，本研究提出的进一步步骤是创新的，因为下一阶段的巷道设计应包括两个全新的指标的确定，即巷道设计效能指数RDE和巷道功能维护指数RFM。针对特殊的地质和采矿条件的挖掘断面，这一程序从数值上反映了具体断面规划开挖的设计和维护难度。

所提出的支护设计和控制方法从实用和经济的角度来看都具有优势，使用具有修改的承重能力的支撑的可能性，在给定的开挖中采用单一的基本支护方案，并根据该支护方案进行专门调整的加固方法，是该方法的实际应用，如果发生过大的支护负荷，无论是预期的还是计划外的，这种解决方案将显著缩短决策过程。