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礦井巷道圍巖支護系統(tǒng)的特點研究

2014-04-29 06:29:55張鳳清
山東工業(yè)技術 2014年5期
關鍵詞:巷道

張鳳清

【摘 要】系統(tǒng)論認為,系統(tǒng)是物質存在的形式,世界上沒有離開系統(tǒng)的物質。系統(tǒng)是具有特定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的諸要素所構成的—個整體,它一般存在于環(huán)境包圍之中,環(huán)境是系統(tǒng)外界事物及諸要素的集合。將系統(tǒng)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(tǒng)功能及構成要素分析

輸入、轉換機構和輸出是構成系統(tǒng)的三要素。用系統(tǒng)論來考察巷道支護,發(fā)現(xiàn)也確實存在這樣一個系統(tǒng),即由圍巖、支護和環(huán)境三個子系統(tǒng)構成的圍巖一支護系統(tǒng),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(wěn)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(fā)生擾動、應力狀態(tài)發(fā)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(jù)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(wǎng)等支護或注漿加固。

環(huán)境包括自然環(huán)境、工程技術環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境。自然環(huán)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(jīng)濟條件包括國家政策、法令、法規(guī)、規(guī)范、經(jīng)濟狀況(投資)等。

該系統(tǒng)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(wěn)定的功能等。

2 圍巖一支護系統(tǒng)的特點

2.1 圍巖一支護系統(tǒng)是復合系統(tǒng)

因為圍巖是天然物,支護是人造物,環(huán)境子系統(tǒng)有些也是人工的。

2.2 圍巖一支護系統(tǒng)是開放子系統(tǒng)

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

2.3 圍巖一支護系統(tǒng)是動態(tài)系統(tǒng)

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(fā)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(xié)調,就控制了變形,使整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)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(wěn)。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(tǒng)狀態(tài)。因此,圍巖—支護子系統(tǒng)隨時間不斷變化,是動態(tài)系統(tǒng)。

2.4 圍巖—支護系統(tǒng)是灰色系統(tǒng)

巖體的形成經(jīng)歷了漫長的過程,由于礦物構成、結構面產(chǎn)狀和發(fā)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(guī)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(tài)千差萬別,也不能完全確定。由此可見,該系統(tǒng)及其環(huán)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(tǒng)。

3 系統(tǒng)科學原理的應用

系統(tǒng)科學原理有:整體性原理、相關性原理、結構性原理、動態(tài)性原理、反饋原理和最優(yōu)化原理等。

3.1 整體性和相關性原理

圍巖、支護和環(huán)境子系統(tǒng)三者之間相互聯(lián)系、相互作用,形成一個完整系統(tǒng).共同完成系統(tǒng)功能。在設計、施工和使用各個階段,都需要統(tǒng)籌考慮各種聯(lián)系,抓主要矛盾,使圍巖一支護系統(tǒng)整體最優(yōu)。例如,使用錨桿支護時,錨桿要穿透松動區(qū);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(tǒng),各部分之間要靠支護作用相互協(xié)調,最終形成一均勻承載巖環(huán)。圍巖是一個整體,任何部分失穩(wěn)都會影響其他部分的穩(wěn)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(tǒng),各種支護方式在時間、空間上要互相配合、相互協(xié)調、統(tǒng)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(wěn)定。整個支護可根據(jù)圍巖變形規(guī)律分幾次進行?,F(xiàn)在,可供選擇的支護形式很多,可以根據(jù)具體條件,選用最合理、最經(jīng)濟的聯(lián)合支護形式。

3.2 結構性原理

任何系統(tǒng)都有層次性,圍巖一支護系統(tǒng)也不例外,它由若干包含許多要素的子系統(tǒng)構成,而它本身又從屬于更大系統(tǒng)。在設計和施工巷道支護時,不但要研究圍巖一支護系統(tǒng)本身,而且要從縱向、橫向各種層次的系統(tǒng)結構立體地考慮有關各種聯(lián)系。例如,在分析地應力 時,要考慮本地區(qū)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(tài)性原理及反饋原理

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

3.4 最優(yōu)化原理

對于每一給定的圍巖和環(huán)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(lián)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(jù)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(yōu)化的任務就是使上述三項都達到最優(yōu),使圍巖一支護系統(tǒng)處于動態(tài)的最佳狀態(tài)。

[責任編輯:薛俊歌]

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