专题-新桥煤矿巷道支护专家系统设计思路.doc

1、新桥煤矿巷道支护专家系统设计思路1 绪论1.1新桥煤矿巷道支护及设计现状新桥煤矿是永煤集团建设的第四对现代化矿井，设计生产能力1.2Mt/a，2007年12月建成投产。井田南北走向14公里，东西倾向宽1.64公里，面积36平方公里，工业储量16405万吨，其中高级储量7047万吨，设计服务年限56.6年。截止到2008年末，剩余工业储量16194.28万吨，可采储量9323.84万吨。矿井在巷道支护设计及施工技术方面进行了大量工作，取得了一些成果，基本满足了矿井的正常生产和安全需要。但是，在实际生产中，经常发生一些不理想的状况，比如煤层巷道局部地段围岩变形较大，支护参数过大或过小；岩层巷道前掘

2、后修，返修率较高，影响开拓进度，同时也造成支护材料的再次投入和浪费，造成工时、人员、材料等的极大浪费。而矿井巷道支护设计也多基于工程类比、经验积累等而为，缺乏一定的理论研究依据和支护设计基础。这与大型煤矿现代化建设的基础生产技术支撑和今后发展的更高层次要求尚不吻合。1.2研究的意义将专家丰富的实践经验和成熟的理论成果进一步推广应用，改革巷道支护已是势在必行。随着计算机科学技术及办公自动化需要的发展，科技研究成果趋向于集成化和直观可操作性。项目针对新桥煤矿煤层及岩层巷道的各类顶底板围岩条件进行不同地质条件下的巷道围岩进行分类，分别研究得到不同顶底板条件下的煤层、岩层巷道的围岩控制技术方案及具体的

3、支护参数，进而编制成相应的巷道支护专家系统，形成点击式可视化的矿井巷道支护数据库，配套相应的CAD图形断面、支护参数，便于现场生产技术及管理人员操作应用，以解决新桥矿各类条件下巷道围岩支护技术和具体参数等设计需要。实现新桥矿岩巷不返修或少返修，煤巷在工作面回采前不发生明显变形，并实现新桥煤矿支护参数数据库、“点击式” 可视化的巷道支护专家系统。1.3巷道围分类方法现状随着支护理论的发展，围岩分类理论经历了三个发展阶段：最早认为岩石性质决定支护难度，如普氏和RQD分类方法，属于单指标分类方法；随后人们认识到围岩应力是不可忽视的重要影响因素，岩石性质与岩体性质有着重大差异，所以发展了多因素分类方法

4、，分类指标多达67个，这类方法由于未能建立起多因素之间的有机关系和主要指标获取困难等原因，分类时主观因素较强；近期的分类方法多采用与支护有直接关系的综合指标分类方法，既考虑围岩稳定性的各方面影响因素，又用单一定量指标表达出来。综合指标虽然是单一的，但反映的是多因素综合作用的结果，如围岩变形量分类法和围岩松动圈分类方法等。下面就几种代表性的围岩分类方法作简单的介绍。1.3.1锚喷支护围岩分类方法锚喷支护围岩分类综合考虑了岩石的单向抗压强度、岩体结构和结构面发育状况、岩体波速、岩体完整性系数、围岩自稳定时间以及地应力状况多种因素，是一种典型的多指标分类方法。地应力因素由岩体强度与应力之比Sm反映：

5、 （1-1）式中：Rc岩石单向抗压强度； l垂直巷道轴线平面上较大的主应力（无实测地应力数值时，以自重应力l=H代替，其中为上覆岩层体积质量；H为巷道埋深）。这种分类方法综合考虑了影响围岩稳定性的多种因素，是比较全面的分类方法。但是多指标之间分类不一致时如何处理，构造应力的显著程度将影响该分类的准确性。1.3.2围岩变形分类方法围岩变形量分类方法是根据围岩变形量的大小定量评估支护难度的一种分类方法。围岩变形的影响因素主要是两大类：一是地质力学因素，如原岩应力、岩体结构、岩石的物理力学性质和岩石的矿物组成等；另一类是工程因素，即施工方法、支护结构、巷道断面形状等。围岩变形量是多因素的作用结果，变

6、形量的大小直接反映出支护所承受的变形压力大小。利用变形量的数值对围岩稳定性进行分类，形式简单，使用方便，便于工程应用。但是，由于围岩变形量的数值与支护形式和支护强度密切相关，如不支护，进行大变形量的观测较为困难。1.3.3围岩松动圈分类方法井下巷道开挖后，围岩应力超过围岩强度，围岩即产生变形松动现象。围岩在原始状态，是一个被压密实的实体，处于应力平衡状态。巷道开挖后，破坏了围岩的原始应力平衡状态，即产生松动变形。如不急时支护，任其发展，就会产生岩层破坏，围岩冒落。这种由于巷道开挖而使围岩应力平衡状态破坏，产生松动变形的范围被称为围岩松动圈。围岩松动圈的大小与工程因素巷道断面的形状大小、施工方法

7、和支护形式等有关，同时，也和地质因素有关，都是围岩应力和围岩强度的函数。因此，它是一个定量的综合指标。测取围岩松动圈范围值比较简单、实用。用围岩松动圈进行围岩分类，确定支护结构和参数，是一种有效的方法。1.3.4煤巷围岩极限平衡区分类方法极限平衡区分类方法是以极限平衡区深人巷道围岩的深度为主要指标，以巷道周边位移为辅助指标进行巷道围岩分类的一种方法。极限平衡区深人巷道围岩的深度和巷道周边位移二者都是影响巷道围岩稳定性各种因素的综合反映，用主要指标划分围岩类别，以及进行锚杆支护设计，用辅助指标和实测结果的差异反馈初始设计中可能存在的问题，并以此为依据，修改初始设计。1.4巷道锚杆支护设计方法现状

8、目前的巷道锚杆支护设计方法基本上可归纳为四大类：第一类是工程类比法，包含简单的的经验公式进行设计；第二类是理论计算法；第三类是以计算机数值模拟为基础的设计方法；第四类是监测法。工程类比法在中国巷道锚杆支护设计中应用相当广泛，主要有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法和巷道围岩松动圈分类与支护设计建议等。理论计算方法很多，主要有悬吊理论法、冒落拱理论法、组合梁理论法、组合拱理论法等。随着计算机的广泛使用，借助数值模拟进行锚杆支护设计得到了较大的发展，数值模拟应力应变分析是地下岩石结构设计和分析的重要手段。英国、澳大利亚建立了以地应力测试为基础的煤巷锚杆支护设计方法，其核心是首先根据地

9、应力测试结果，以岩体地质力学评估为基础，结合数值模拟分析进行锚杆支护初始设计，然后再根据现场监测结果对原设计进行修正和完善。这种设计方法通过多方案的比较分析有可能选择到最佳方案，值得借鉴。中国煤炭系统的许多专家、学者、工程技术人员在巷道锚杆支护研究、设计与施工中做了大量工作，积累了丰富的经验，提出了极限平衡区锚杆支护设计方法、预应力锚杆（索）支护设计方法、围岩松动圈锚杆设计方法等。并在现场进行了成功应用，极大推动了中国锚杆支护技术的发展。下面做简单介绍。1.4.1常规锚杆支护设计目前，中国地下工程锚杆支护设计方法主要是工程类比法和经验公式设计法。特别是矿山井巷锚杆支护设计，面对岩性和岩体结构变

10、化大，荷载影响因素多，采准巷道维护时间短，支护材料和结构可能选择的范围小等实际情况，在设计时，使用工程类比法和经验公式计算方法，设计简单、推广容易、实用性强、效果较好。1经验公式计算法锚杆长度L=N（1.5+W/10） (1-2)式中：W巷道或硐室跨度，m；L锚杆总长度，m；N围岩影响系数（表1-1）表1-1 围岩影响系数表围岩类别IIIIIIIVV影响系数N0.80.91.01.11.2表中围岩类别按煤矿井巷工程锚杆、喷浆、喷射混凝土支护设计试行规范中的围岩分类。锚杆间距 (1-3)锚杆直径 (1-4)经验公式计算法用于锚杆支护设计，计算得到的仅为锚杆支护的主要参数，是锚杆支护设计的一部分，

11、不是全部，还要对其他参数和材料做出选择。例如，锚杆杆体的结构形式、材质，锚固剂材料、锚固长度，托板、螺母结构形式和强度等。2工程类比法工程类比法通常有直接类比法和间接类比法两种。直接类比法一般是把已开掘巷道采用锚杆支护并取得成功的地质开采条件与待开掘巷道进行比较，在条件基本相同的情况下，可以参照已开掘巷道，凭借工程师的经验和对工程的分析判断能力选定待开掘工程的锚杆支护类型和参数。间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按照围岩分类和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参数。中国部分矿区在做了大量和长期的巷道支护技术基础工作后，为更有效地发展锚杆支护，提出了自己矿区地巷道围岩稳定性

12、分类和锚杆支护设计推荐参数。这些根据自己矿区的实际建立起来的围岩分类和锚杆支护设计推荐参数，使用起来简明扼要、直观易行，更具有针对性。1.4.2极限平衡区锚杆支护设计方法极限平衡法煤巷锚杆支护设计的理论基础有两个：一是弹塑性理论，二是悬吊理论。弹塑性理论有一定的局限性，它是建立在均质弹塑性体、圆形巷道基础上的力学模型。为此，引人了煤岩体物理力学参数修正系数和采动影响系数加以修正，以克服其局限性。井下巷道的开掘工作，破坏了地层原岩应力的平衡状态，导致巷道周边岩体内应力的重新分布。如果巷道周边围岩的集中应力小于煤岩体强度，这时围岩的物性状态保持不变，煤岩体仍处于弹性状态如果围岩局部区域的应力超过煤

13、岩体强度，则这部分围岩的物性状态就要改变，巷道周围就会产生一定范围的极限平衡区，同时引起应力向围岩深部转移。显然，处于弹性状态的巷道围岩，由于其自身处于弹性状态，具有承载能力，因此，不需要对其进行人为加固。巷道支护或加固所要考虑的仅仅是巷道周围已处于极限平衡状态下的煤岩体。因此，在划分巷道围岩类别时，以极限平衡区深人巷道围岩的深度为主要指标，从而把巷道的围岩类别与支护设计联系在一起。煤巷锚杆支护设计流程：煤岩体物理力学参数测量影响煤巷围岩分类指标各因素的数值选取分类指标的计算和煤巷围岩类别的确定煤巷锚杆支护参数的量化设计。1.4.3煤层巷道围岩预应力锚杆支护设计方法这种方法是利用三维有限元模型

14、，先确定巷道的应力状况。模型的主要输入参数包括：最大水平应力、最小水平应力及其夹角、（工作面、采空区、煤柱、巷道等）几何尺寸、岩石力学性质、采深。在上述模型的基础上切割出所关心的局部区域，此区域称之为子模型。子模型的边界条件由原模型输出而自动附加在子模型的边界上。在子模型中考虑锚杆单元及岩石层理单元。只要子模型的外边界选的合适，这种做法就比较合理，因为受锚杆影响的应力范围非常有限，从而避免在原模型上进行非线性分析。子模型输入参数包括锚杆预拉力、锚杆直径、锚杆长度、岩石层理面的力学性质、锚杆间距。层状岩体在水平地应力的作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏，出现离层现象，顶板的承载能力将大幅度下降

15、，因而应将巷道顶板是否离层作为巷道稳定性判别的标准。离层与否是顶板预应力结构形成的基本要素，因而可以将二者统一起来，把锚杆预拉力纳入锚杆支护参数设计当中，以顶板离层作为分析的原则和依据，提供一个避免或大大减少巷道冒顶事故的设计方法。1.4.4围岩松动圈锚喷支护设计方法用围岩松动圈理论进行锚喷支护设计，即松动圈支护技术，是围岩松动圈支护理论的重要组成部分。目前，使用松动圈支护技术进行锚喷支护的设计，还处于理论加经验的阶段。但是，在实际应用中已经相当完善，设计的锚喷支护参数安全可靠，经济效益好。它的设计方法是从松动圈分类表出发，根据锚杆作用机理，即可设计锚喷支护参数。锚喷参数设计以围岩分类为基础，根据工程要求以松动圈的三大类来进行锚喷支护参数的设计。1.5本文主要内容及研究方法本文在总结以往研究成果的基础上，提出利用VB语言作为开发工具，把繁琐的规定和复杂的计算通过系统的操作，很方便地应用于常规巷道设计中的设计思路，目的是为巷道围岩稳定性分类预测和支护设计提供科学实用的设计手段