复杂地形条件下井下围岩支护方案的优化研究

王国瑞

摘要：锚杆支护是深井围岩支护中最常用的支护方法。随着智能算法的应用越来越普遍，该算法可作为岩石支护设计的参考。采用分组算法优化锚杆支护设计，使锚杆支护设计更加合理。根据工程经验提出的初步参数，采用数值参数对支护参数进行优化，取得了具有指导意义的研究成果。

关键词：深井;参数优化;力学分析

前言：

随着开采规模和开采强度的增加，浅层资源逐渐减少，资本资源的开发已成为人类的必然选择。围岩明显软化，巷道变形严重，严重影响正常生产，具有典型的深部开采特征。为了研究深部巷道围岩稳定性控制理论，有必要研究深部巷道围岩的分类方法和标准。因此，在深入研究高压巷道支护理论的基础上，支护材料和设备的研究与开发对为深部采煤技术提供技术支持具有重要意义。21世纪初，越来越多的金属矿将进入深部开采。深部地层压力问题将成为制约我国矿山安全生产、资源回收和经济效益的主要因素之一。深部开采压力和高原压力将成为金属矿业企业面临的主要技术问题。解决深井压力问题必然是我国矿业发展的主要技术发展方向。为此，国家对深井硬岩矿山开采、地表压力和岩爆进行了专项研究。巷道支护参数优化是巷道支护设计定量决策的关键。支护参数设计的安全性和经济性的确定对安全生产和经济效益有很大的影响。锚杆支护在各种形式的支护中起着重要的作用。近年来，许多学者对深井围岩支护参数优化问题进行了深入的研究。

一、岩爆巷道支护机理研究

对复杂支护结构进行简化后，可将其划分为两种支护功能：围岩加固和悬架支护。在这两种功能中，加强周围岩石并起到悬架作用的支撑单元是锚栓，支撑单元由金属网、喷射混凝土、电缆或其组合组成。对周围岩石和锚点进行加固，以增加周围岩石的强度，并形成能够承受周围岩石压力的岩石拱形。悬索支护的作用是通过锚杆和作为悬索支护的单元来限制深部岩体中的碎岩。在正常的低应力条件下，这种影响主要是出于安全考虑，而不是周围岩石本身的稳定性。然而，以往的研究表明，在正常低应力条件下，断裂体和支护单元（如金属网格和支护单元）将断裂体限制在深岩体内，从而确保了道路在高应力条件下的稳定性。在高应力条件下，岩石明显断裂，常伴有较大的岩石变形。巖体的破坏通常伴随着岩体的变形。通过保持裂隙岩体，可以有效地控制岩体的连续运动。通过支撑结构单元的功能组合，使其具有两个支撑结构单元的一些特点。在支护体系中，锚在围岩加固中起着非常重要的作用。锚杆进入围岩，吸收围岩作用下的变形函数，提高围岩的自持能力。

二、巷道围岩变形破坏成因分析及配套措施

（一）巷道围岩变形破坏原因分析

根据巷道监测分析和变形特点，结合矿井以往的实践，得出了巷道围岩变形破坏的原因如下：第一，隧道深度的影响。巷道围岩应力随埋深的增加而增大。一些原为坚硬岩石的岩石变形特征，在高应力下变软断裂。软岩的特点使巷道变形破坏严重。巷道周围应力明显，比围岩的自体强度大。第二，地质构造的影响。塘口市煤炭工业地质构造复杂，接头和裂缝发育。由于巷道顶部岩体存在大量的裂缝，降低了围岩的完整性，胶结度差，抗压强度低。同时，地下水的存在使松散断裂的岩体混浊，极大地降低了岩体的强度和承载力，使岩体更具可破坏力，加速了周围岩石裂缝的发育，形成了恶性循环，使岩体的特征明显劣化，不能满足巷道支护要求。第三，不合理的支承设计。南线主干线支护设计采用的是工程类比法，缺乏理论基础，没有根据围岩的地质条件和围岩的应力特点选择合理的支护形式和支护时间，支护强度不足，刚度与强度不相适应。此外，底板没有有效控制，造成路面严重损坏。第四，工程质量的影响。隧道施工过程中，由于施工过程中的阴影噪声，不能完全实现表面的光滑爆破，存在明显的隆起现象和火炮冲击裂纹。此外，临时支护失败或支护强度不够，锚杆（索）初始锚固不够，混凝土水灰比不能满足设计要求，混合喷涂不均匀等，大大降低了围岩的承载能力，不能满足支护体与围岩变形协调的要求。

（二）支护对策

综上所述，传统的支护方法和单一措施已不能满足深部隧道的工程要求，必须根据变形破坏的原因和优化原则采取以下支护措施。第一，选择合理的围岩层布局。根据工程地质条件和生产需要，巷道布置应统筹兼顾。巷道位置最好在工程地质好、围岩完整、断裂强度高的岩层中。第二，巷道分段形状的优化。巷道断面形状应适应土应力分布，主要由扁平椭圆形、倒拱型马蹄形、半圆形或倒拱型矮墙组成。第三，加强屋面底板控制。根据巷道破坏情况，顶板变形严重，可以改善软弱围岩的力学性能和局部围岩应力状态，减少软弱围岩的剧烈变形，使其变形与围岩协调。第四，改进施工方法。在条件不允许的情况下，采用光学爆破降低岩石振动，控制围岩环缝开裂，保持围岩整体强度，尽量保持道路平整，避免出现大的不均匀现象，减小应力分布不均和局部应力集中。第五，科学施工程序和二级支持。由于巷道围岩变形时间较长，支护不宜过早，允许有适当的变形量。但是，考虑到围岩的应力特性，支护越早、越及时越好，必须采用二次支护。掘进巷道后，巷道成为支护主体，具有足够的支护阻力、灵活性和可伸缩性。结语：

根据巷道变形和破坏的原因，按照优化原则，选择合理的巷道围岩厚度、优化巷道断面形状、加强顶板控制、改进施工方法、科学施工程序和二次支护等优化对策。我国深井硬岩矿支护研究尚处于起步阶段。结合我国的实际情况，今后需要加强以下几个方面的工作：建立相应的监测系统;加强对岩石形成和破坏机理的研究;对支护的理论研究;对岩石爆破支护的新研究。支护结构和材料;巷道冲击地压防治措施研究;制定支护安全规范和管理措施。

参考文献：

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[2]樊克恭，蒋金泉. 弱结构巷道围岩变形破坏与非均称控制机理[J]. 中国矿业大学学报，2007，（1）：54～59.