礦井回采巷道錨桿支護參數優化方法研究

王芳林

（山西忻州神達棲鳳煤業有限公司， 山西 忻州 036000）

引言

在地下采礦中，巖石支撐和加固的主要目的是保持挖掘物在預定壽命內的安全與開放。目前，在我國各種地質條件下的煤礦中，普遍使用錨桿支護，其有很多優點，但也存在一些缺點。為了保證采礦作業的強度，應該對現有的錨桿支護技術進行改進，以減少礦井工作面的工程集中度，以在不違反安全規則的情況下，使礦井工作面的主要錨桿設置更加合理。

1 錨桿支護

在巷道進行正式開挖的過程中，圍巖原本的力學靜態平衡會受到破壞。為了避免由此而引發的圍巖破壞，需要采取合理的支護，從而保護圍巖的穩定形態，避免產生過度破裂。在巷道支護的諸多形式中，錨桿支護是較為良好的形式之一，其可以對圍巖的力學狀態進行改變，一定程度上提高圍巖的強度，對巷道的穩定性起到了重要影響。

2 礦井回采巷道破壞類型和機理

2.1 局部落石破壞

局部落石破壞的形式通常是巖塊從弱面拉斷或滑移、落石產生坍落等。在實際工作過程中，局部落石的情況很難被完全控制，因為其影響因素太多，包括地質原因、施工原因等。例如，在施工方面，可能因為爆破松動作用等而產生局部落石破壞；在地質方面，可能因為結構面的風化潮解等而形成局部落石破壞。即使在圍巖狀態很穩定的情況下，也有可能發生局部落石破壞的情況。圍巖本身的自重就是局部落石破壞產生的主要受力原因，其次是圍巖應力。

2.2 拉斷破壞

在強度相對較低、破碎的巖體中，可能會發生拉斷破壞，這是一種因受拉出現的破壞形式，主要包括拉裂破壞和折斷破壞。在層狀巖體中通常會出現折斷破壞，在結構面發生的拉斷破壞通常是拉裂破壞[1]。

2.3 重剪破壞

重剪破壞也是礦井回采巷道破壞的主要類型之一，其主要發生在弱面，因為剪應力還沒有超過巖石抗剪強度，只是弱面中的剪應力超過了弱面抗剪強度，在巖性堅硬和弱面發育的巖體中較容易產生這種破壞形式[2]。如果在工作中發生這種破壞形式，其往往比局部落石破壞更嚴重，因為其受多種因素影響，范圍相對更大。

2.4 剪切破壞和復合破壞

在弱巖圍巖中，剪切破壞是最為常見的形式，同時，如果在堅硬的巖體上受到高應力作用時，也可能出現此種破壞形式。在這種破壞形式發生時，會出現片幫、冒頂的情況，最終發展至頂部。如果進而出現了打斷破壞或新的剪切破壞，則屬于復合破壞。復合破壞與巖性有很大的關系，如果破壞形式表現出片幫、冒頂，則是脆性巖體，如果圍巖從四周巷道蠕動則是流變性巖體。

2.5 巖爆破壞

在實際作業中，有時會出現因巖體內儲存的彈性能被突然釋放而產生的圍巖巖體突然拋落的情況，這就是巖爆破壞。這種情況常出現在脆性巖體中，相對而言是較特殊的一種形式。巖爆破壞其實是一種脆性斷裂，因為巖體的應力超過強度，同時，其在受力后將能量積聚成了應變能，從而突然猛烈釋放，產生了巖爆破壞。

2.6 潮解膨脹破壞

如果巖體發生了軟化崩解、強烈膨脹等現象時，往往是發生了潮解膨脹破壞，這主要是因為圍巖遇水而導致的。潮解膨脹巖層中有很多活動型礦物蒙脫石，所以遇水會產生反應，吸水后會導致體積擴大。這種情況會使圍巖的強度受到極大的破壞，如果發生這種情況，應及時進行支護，封閉圍巖。

3 礦井回采巷道錨桿支護參數優化方法

3.1 工程類比法

這是一種在很大程度上依靠工作人員專業性的方法，相對應用也較廣泛。在實際應用中，其主要是依據多年來國內外積累下來的成功工程經驗，將當前的工程與之進行工程類比，從而直接得出相應的支護參數。這對于工作人員的專業性要求極高，同時也需要工作人員具備較為豐富的工作經驗。在實際工作中，這種方法需要將巖體進行正確分類，從而可以從其他工程中選擇相應條件的經驗進行工程類比，進而得出合適的設計方案。在采用這種方法時，必須嚴格保障工作人員的專業能力水平，避免因工作人員專業性不足而導致的失誤。

3.2 理論計算法

理論計算法是相關研究人員希望通過理論公式完美設計出支護結構的嘗試，但實際的工程情況較為復雜，目前尚未有絕對完美的方法。在實際的理論計算法中，主要分為懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論和松動圈支護理論四種。這種方法的一些假設和真正工作中的實際情況具有一定程度的差異，這使得其計算結果往往只能作為一種參考。

3.3 數值模擬法

這種方法主要是依靠計算機數值模擬計算的，需要構建數學模型，利用計算機的專用軟件進行求解，從而得出相應的錨桿支護參數。這種方法嚴格保證了計算過程的精確性，但也存在一定的不足，因為其涉及條件較多，相關人員如果了解不充分或輸入失誤，很可能使結果與實際情況相差過大，從而無法應用于工程中。在實際工作中，相關人員需要非常了解計算機軟件，同時，還需要對介質類型、邊界條件等明確掌握，保障計算的準確性。

3.4 專家系統法

專家系統法主要是指由研究機構、公司等開發的用于錨桿支護決策的系統，也是一種借助計算機技術和人工智能技術的方法。這種方法具有較高的權威性，根據相關領域內多名專家提供的相關知識和經驗進行合理的推理判斷，整個過程類似于人類專家的分析推理和決策過程。雖然這種方法一方面整合了人類專家的知識和經驗，另一方面利用了最先進的技術手段，但也存在很大的局限性。因為不同專家系統中的指標權值分配等受到很大的人為因素影響，而且數據庫的信息具有一定的局限性。在實際工作中，應根據實際的工程情況，確定是否選用專家系統，以及選用何種專家系統。

3.5 系統設計法

這種方法相對較復雜，需要對工程現場的地質力學進行評估，進行相應的數值模擬，同時要進行相應的理論分析，進而設計初始方案，進行施工和監測，再依據監測所得到的信息對原有設計進行完善。此種方法相對較完善，也是實踐證明較科學的方法。但是，其也具有很大的局限性，例如，對于地應力測試需要應用較為先進的設備，這使得工作的難度加大，而且很多施工現場很難具備要求的條件。在實際工作中，應根據工程的實際情況進行判斷，如果施工現場的條件或設備要求難以滿足，則不可應用此種方法，避免造成誤判。

4 結語

通過對礦井回采巷道破壞類型和機理的了解，合理選擇并運用礦井回采巷道錨桿支護參數優化的方法，可以更好地優化錨桿支護參數，從而促進工程的順利完成。隨著科學技術和研究理論的不斷推進，相關領域在未來必將得到更完善的發展。