《井巷工程》課程內容新體系研究

李迎富

【摘 要】本文闡述了《井巷工程》內容新體系，重點闡述了巷道支護內容變化，系統分析了服務年限、層位巖性、圍巖結構、礦壓影響、特殊區域等對巷道圍巖穩定性影響，提出了巷道差異化支護方法，探索了一條復雜多變、難支護巷道支護智能決策的有效途徑。

【關鍵詞】《井巷工程》內容新體系；巷道支護傳統內容體系；巷道差異化支護

1 《井巷工程》內容新體系

煤炭工業是國民經濟的基礎工業，在今后相當長的一段時間內，仍然作為我國的主體能源。隨國民經濟發展，新建了幾十個礦區，煤炭產量由1995年的13.61億噸增長到2016年的33.64億噸。與此同時，井巷施工及支護技術得到迅猛發展。在立井施工方面[1-2]，使用了大型鑿井絞車和提升機、新型鑿井井架、深孔光面爆破、大型抓巖機等配套的機械化作業線。在比較復雜的工程地質和水文地質條件下，特殊鑿井的比重逐漸增加[3]，井筒采用凍結法施工的最大凍結深度達到740m，注漿法施工的最大注漿深度達到1657m，沉井法施工的井筒最大下沉深度達到200.3m，帷幕法施工的帷幕深度最大達到57m。井筒設備的防腐技術也有了很大進步，使得井筒設備壽命延長1倍以上。在巖巷施工方面，以鉆裝錨機為主體的作業線，以及鑿巖臺車、側卸轉載機為主組成的作業線已廣泛應用，全斷面掘進機正在積極推廣應用中。煤巷掘進采用部分斷面掘進機。斜井施工已形成大箕斗、大耙斗、深孔光爆、錨噴支護等一套具有中國特色的機械化施工工藝和作業線。巷道支護經歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的漫長過程，錨桿支護從低強度、高強度到高預應力、強力支護的發展過程。據統計，每年我國煤礦巷道掘進量已經超過上萬千米，因巷道支護問題造成的經濟損失達到數十億元，現以巷道支護為例說明《井巷工程》課程內容變化。

2 巷道支護傳統的內容體系

巷道支護傳統內容體系包括巷道支護原理、支護形式及其設計方法。

1）巷道支護形式

（1）砌碹支護屬于剛性被動支護，施工工序復雜，勞動強度大，施工速度慢，效率低，抵抗動壓能力差。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。

（2）棚式支架也屬于被動支護，支架與巷道表面很難密切接觸，控制圍巖早期變形的能力差，在復雜困難條件下支護效果差、成本高。

（3）錨噴支護至今已有50 多年的歷史。噴射混凝土可及時封閉圍巖，防止風化；改善圍巖的應力狀態，恢復三向應力狀態；填凹補平消除應力集中；混凝土與圍巖共同變形，圍巖應力釋放，混凝土變形后受到壓縮，支護反力增加，可抑制更大變形；射入縫隙，增強巖塊間黏結力，防護錨桿間危石掉落。錨桿起到主動加固作用，充分發揮圍巖自承能力。

（4）注漿加固可改變圍巖松散破碎結構，提高其粘結力、內摩擦角和圍巖整體性，使圍巖為錨桿提供可靠的著力基礎，充分發揮錨桿對松散破碎巖層的錨固作用。

（5）混凝土鋼管支護把混凝土灌入鋼管中并搗實以加大鋼管的強度和剛度，鋼管混凝土能夠將混凝土和鋼材抗二者的優點結合在一起，具有：①承載力高、延性好，抗震性能優越；②施工方便，工期大大縮短；③有利于鋼管的抗火和防火；④耐腐蝕性能優于鋼結構。

（6）復合支護是采用兩種或兩種以上的支護方式聯合支護巷道，雖然適用范圍廣，但支護費用高，成巷速度慢。

2）巷道支護原理

1）古典壓力理論及坍落拱理論

古典壓力理論認為，作用在支護結構上的壓力是其上覆巖層的重量7倍，但隨著開挖深度的增加，人們發現古典壓力理論許多方面都有不符合實際之處。于是，坍落拱理論應運而生，其代表有太沙基理論和普氏理論，此類理論認為：坍落拱的高度與地下工程跨度和圍巖性質有關，其最大貢獻是提出巷道圍巖具有自承能力。

2）新奧法

奧地利人L.v.Rabcewicz 根據本國多年隧道施工經驗總結出的一種施工方法，其主要原則為：（1）充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動；（2）充分發揮圍巖的自承能力；（3）盡快使支護結構閉合；（4）加強監測，根據監測數據指導施工，可概括為“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”。

3）聯合支護理論

馮豫、陸家梁、鄭雨天、朱效嘉教授等提出的聯合支護技術是在新奧法的基礎上發展起來的，其觀點可以概括為：對于巷道支護，一味強調支護剛度是不行的，特別是對于松軟巖土圍巖要先柔后剛，先抗后讓，柔讓適度，穩定支護。由此發展起來的支護形式有錨噴網技術、錨噴網架技術、錨帶網架技術、錨帶噴架等聯合支護技術。

4）錨噴一弧板支護理論

孫鈞、鄭雨天和朱效嘉等提出的錨噴一弧板支護理論是對聯合支護理論的發展。該理論的要點是：對軟巖總是強調放壓是不行的，放壓到一定程度后，要堅決頂住。即采用高標號、高強度鋼筋混凝土弧板作為聯合支護理論先柔后剛的剛性支護形式，堅決限制和頂住圍巖向中空位移。

5）松動圈理論

松動圈理論是由中國礦業大學董方庭教授提出的，其主要內容是：凡是堅硬圍巖的裸露巷道，其圍巖松動圈都接近于零，此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護。松動圈越大，收斂變形越大，支護難度就越大。因此，支護的目的在于防止圍巖松動圈發展過程中的有害變形。

6）錨桿支護理論

錨桿支護理論包括：懸吊理論、組合梁理論、加固拱（壓縮拱）理論、最大水平應力理論、弱巖強度強優理論等。近年來錨桿支護技術快速發展，尤其是在澳、美、英等錨桿支護技術先進國家，錨桿支護在巷道圍巖控制中占有極高的比重。我國于20世紀50年代初首先在煤炭、冶金系統的地下工程領域試驗錨桿支護技術，以后逐漸發展到鐵道、水電、軍工等系統，取得了很大成就，并積累了豐富的經驗。近年來，煤礦錨桿支護發展很快，2005年，國有煤礦錨噴支護達到了50%，其中，巖巷80%，半煤巖巷道60%，煤巷30%。endprint

3）巷道支護設計方法

1984年，美國麻省理工學院W.S.（Dershowitz）與H.H.Einstein首先發表了題為“人工智能在巖石力學中應用”的課題，在此以后，巖石力學領域神經網絡研究發展迅速。

1992年，北方交通大學張清在利用神經元網絡預測巖石或巖石工程的力學性態，開始了神經網絡的工程應用。

東北大學的馮夏庭等將神經網絡方法應用于采礦方法及露天礦邊坡穩定性的研究。

河海大學的陳國榮以及安徽理工大學的謝廣祥等利用神經網絡原理，開發了錨桿支護設計系統。

2002年，重慶大學的許明，采用動力瞬態激振使錨桿引起彈性振動，通過測定錨桿的振動響應來估計和推斷錨桿的極限承載力，將人工神經網絡這類非線性動力學系統運用于該灰色系統的預測。

2006年，武漢巖土力學研究所的劉明貴等將小波分析和人工神經網絡結合起來，采用數值模擬得到錨桿外端部的動態響應并進行小波分析，從各分量中提取特征向量，然后，將這些特征向量輸入人工神經網絡進行訓練，訓練后的神經網絡根據實測信號的特征向量對錨桿錨固質量進行智能化分類。

3 巷道支護傳統內容體系存在的問題及其分析

（1）每條巷道地質條件和應力環境千差萬別，應針對巷道具體條件，進行巷道圍巖分類，依據圍巖分類，選擇合理的巷道支護形式，才能達到預期效果。

（2）由于巷道支護問題的復雜性，在實際生產中，需要做大量的前期工作。因此，采用計算機進行編程，分別將巷道影響因素指標量化，開展不同地質條件巷道圍巖分類，通過大量調研、資料收集，構建巷道樣本庫，結合現有巷道支護理論與技術，確定巷道基本支護方案（即：一巷一策），采用定性與定量相結合，細化差異化支護方案（即：一巷多策），并研發可視化的智能操作軟件，實現巷道支護智能決策功能。

4 巷道支護新內容

（1）構建了包含巷道類型、區域特征、圍巖物理力學參數、支護參數、巷道礦壓特征、支護效果評價等信息的巷道樣本數據庫。

（2）采用有限差分法，模擬計算出分類指標與圍巖塑性率的函數關系，依據圍巖塑性率函數的斜率變化，確定隨圍巖條件變化的動態指標權值。

（3）構建樣本巷道數據庫，提出了巷道圍巖穩定性分類指標體系，進行了巷圍巖穩定性整體分類和次分類。

（4）明確巷道差異化支護對象

主要做好服務年限、層位巖性、頂底兩幫、地壓影響、特殊區域五個方面的差異化支護。服務年限較長的開拓準備巷道要充分考慮層位、地壓等因素，宜適度提高支護標準、安全系數，做到一次投入、長期服務；服務年限較短的回采巷道，支護標準要切合實際，安全可靠，經濟合理，不得盲目提高支護強度。

同一回采巷道內應根據回采時間不同實施差異化支護；同一巷道應根據層位、巖性不同實施差異化支護；巖巷錨噴支護拱部與幫部宜實施差異化支護；煤巷錨桿支護沿空掘進巷道的沿空幫、實體煤幫以及切眼的老塘幫、煤壁幫宜實施差異化支護。錨桿規格、錨固劑數量宜差異化設計。

地應力大小、動壓影響程度不同，巷道支護形式及參數應差異化設計；對巷道交岔點（三、四岔門）、擴大斷面、構造區、破碎區、淋水區、冒頂區、過老空區等特殊地段，應提高支護強度。

（5）提出圍巖地質力學評估→圍巖穩定性分類→基本支護方案確定→差異支護參數設計→支護效果檢測與優化的分類差異支護設計思路，并研發巷道支護智能決策系統。

5 結語

（1）隨著開采深度、開采強度的不斷提高，傳統的巷道支護設計方法及單一的巷道支護形式難以滿足要求。因此，需要因巷制宜，多種支護形式并存，分類設計巷道支護參數。

（2）結合巷道支護的成功實例，構建了包含巷道類型、區域類型、圍巖力學參數、支護參數、支護效果評價等信息的巷道樣本數據庫，在綜合考慮巷道類型及服務年限、區域類型、整體分類及圍巖次分類基礎上，優選試驗巷道的支護方案，將繁瑣的理論計算與成功的支護實例緊密聯系起來，實現巷道支護決策“安全可靠、經濟合理”。

（3）提出了圍巖地質力學評估→圍巖穩定性分類→基本支護方案確定→差異支護參數設計→支護效果檢測與優化的分類差異支護設計思路，研發了巷道支護智能決策系統，提高巷道支護效率。

【參考文獻】

[1]東兆星，吳士良.井巷工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.

[2]肖瑞玲.立井施工技術發展綜述[J]. 煤炭科學技術，2015，43（08）：13-17+22.

[3]劉志強.快速建井技術裝備現狀及發展方向[J].建井技術，2014，35（S1）：1-6.

[4]康紅普，王金華，林健.煤礦巷道支護技術的研究與應用[J].2010，35（11）：1809-1814.

[5]W.S.德肖維茨，H.H.愛因斯坦，吳玉忠.人工智能在巖石力學中的應用[J].國外金屬礦采礦，1988，（06）：50-56.[2017-08-27].

[6]李英龍.礦山生產計劃編制及采礦方法選擇智能系統的研究 [D].北京：北京科技大學，1994.

[7]婁培杰.煤巷圍巖穩定性分類及錨桿支護輔助設計系統研究 [D] .青島：山東科技大學，2008.

[8]R.A. Beaman， R.W. Milne（1992）.Expert Systems： Opportunities in The Minerals Indaustry[J].Minerals Engineering，Vol.5，No.10-12，pp.1307-1323.

[9]馮夏庭.巷道工程專家系統研究[J].東北工學院學報，1993，14（1）：1-5.

[10]譚云亮，姜福興，宋振騏.順槽巷道錨桿支護決策咨詢系統研究[J].山東礦業學院學報，1998，17（1）：33-38.

[責任編輯：朱麗娜]endprint