礦井巷道圍巖支護系統的特點研究

張鳳清

【摘 要】系統論認為，系統是物質存在的形式，世界上沒有離開系統的物質。系統是具有特定功能的、相互間具有有機聯系的諸要素所構成的—個整體，它一般存在于環境包圍之中，環境是系統外界事物及諸要素的集合。將系統論原理用于巷道支護，進行分析研究，可以得出許多有意義的結論，指導設計施工，并從更高的水平認識巷道支護。

【關鍵詞】巷道；圍巖支護；特點研究

1 巷道支護系統功能及構成要素分析

輸入、轉換機構和輸出是構成系統的三要素。用系統論來考察巷道支護，發現也確實存在這樣一個系統，即由圍巖、支護和環境三個子系統構成的圍巖一支護系統，它來源于人類改造自然的需要，具體功能是：承受構造應力、自重應力、采動應力、爆破震動等各種載荷及地下水、空氣等的作用，保持巷道在服務年限內的安全穩定，以滿足通風、行人、運輸、排水、鋪設管線等要求。

圍巖是指開挖后發生擾動、應力狀態發生較大變化的巷道周圍一定范圍的巖體，—般是巷道半徑的3—5倍，根據所處的地質條件，可以是一種或幾種巖層。

支護是指為了加固、支撐圍巖而采取的某種或某幾種支護方式，主要包括砌碹、各種支架、錨桿、噴射混凝：上、鋪網等支護或注漿加固。

環境包括自然環境、工程技術環境和社會經濟環境。自然環境主要包括圍巖條件、巷道深度、地質和水文地質條件、與其他巷道或采場關系等因素；工程技術因素包括巷道形狀和尺寸、設計水平、施上工藝、施工機械及施工隊伍水嚴等；社會經濟條件包括國家政策、法令、法規、規范、經濟狀況（投資）等。

該系統的輸入主要是地應力、外界震動等各種載荷以及地下水、空氣的作用等；輸出包括圍巖和支護的變形、破壞、風化、銹蝕、抵抗地應力、防滲漏水、保持巷道穩定的功能等。

2 圍巖一支護系統的特點

2.1 圍巖一支護系統是復合系統

因為圍巖是天然物，支護是人造物，環境子系統有些也是人工的。

2.2 圍巖一支護系統是開放子系統

該子系統存在于自然、工程技術和社會經濟環境子系統之中，互相進行物質、能量及信息的交換，所以是開放系統。

2.3 圍巖一支護系統是動態系統

巷道開挖后，巖體就失去了原來的應力平衡，圍巖立即向巷道內發生變形。進行支護后，就改變了圍巖的變形速度，若支護強度適宜.支護時間恰當，與圍巖變形協調，就控制了變形，使整個系統趨于穩定平衡；若支護強度不夠或支護時間過早或過晚，控制不了變形，導致變形加速，圍巖失穩。而且，放炮、地震、行車等有害震動以及水、空氣的作用都會影響圍巖—支護子系統狀態。因此，圍巖—支護子系統隨時間不斷變化，是動態系統。

2.4 圍巖—支護系統是灰色系統

巖體的形成經歷了漫長的過程，由于礦物構成、結構面產狀和發育程度、地質構造、含水量等因素影響，各處千差萬別，無法準確預知其變形規律；而且，許多支護形式的機理還沒有完全搞清；另外，地層各處應力狀態千差萬別，也不能完全確定。由此可見，該系統及其環境中，既有已知的信息又有未知的信息或非確知信息，所以是灰色系統。

3 系統科學原理的應用

系統科學原理有：整體性原理、相關性原理、結構性原理、動態性原理、反饋原理和最優化原理等。

3.1 整體性和相關性原理

圍巖、支護和環境子系統三者之間相互聯系、相互作用，形成一個完整系統.共同完成系統功能。在設計、施工和使用各個階段，都需要統籌考慮各種聯系，抓主要矛盾，使圍巖一支護系統整體最優。例如，使用錨桿支護時，錨桿要穿透松動區；支護要適應圍巖變形特性等。

圍巖本身是一個完整的子系統，各部分之間要靠支護作用相互協調，最終形成一均勻承載巖環。圍巖是一個整體，任何部分失穩都會影響其他部分的穩定，如在煤巷支護中，頂板往往由于兩幫松軟煤壁的鼓幫而下沉破壞，對此，關鍵就是支護兩幫煤壁和防止底鼓。

支護也是一個完整的子系統，各種支護方式在時間、空間上要互相配合、相互協調、統籌安排。一般情況下，剛剛開挖的巷道，圍巖變形速度很快，這時應施以柔性支護，讓圍巖先釋放應力，等變形速度趨緩，再用較強支護使其達到長期穩定。整個支護可根據圍巖變形規律分幾次進行。現在，可供選擇的支護形式很多，可以根據具體條件，選用最合理、最經濟的聯合支護形式。

3.2 結構性原理

任何系統都有層次性，圍巖一支護系統也不例外，它由若干包含許多要素的子系統構成，而它本身又從屬于更大系統。在設計和施工巷道支護時，不但要研究圍巖一支護系統本身，而且要從縱向、橫向各種層次的系統結構立體地考慮有關各種聯系。例如，在分析地應力 時，要考慮本地區地形、地質構造，還要考慮更大范圍的構造體系及板塊構造。

3.3 動態性原理及反饋原理

圍巖一支護系統受各子系統和輸入條件的影響，輸出隨時間是變化的，系統狀態可能趨于穩定，也可能趨于失穩，這就需要根據反饋原理，對圍巖和支護的變形、受力等進行量測，根據量測結果，及時修改支護方案和支護參數。新奧法的成功就在于它把設計、施工和監測有機地結合起來。

3.4 最優化原理

對于每一給定的圍巖和環境條件，都有一種滿足要求而成本最低的最佳支護方案，它也許是一種支護形式，也許是幾種支護構成的聯合支護。每一種支護方案，又有一所需的最小支護量，以及根據圍巖一支護變形過程所確定的每種支護最佳施工時機。最優化的任務就是使上述三項都達到最優，使圍巖一支護系統處于動態的最佳狀態。

[責任編輯：薛俊歌]