馬成民

[摘 要]深井圍巖支護中，錨桿是應用最為普遍的一種支護方式。隨著智能算法應用越來越普遍，智能算法可作為圍巖支護設計時的一種參考。文中通過群算法對錨桿支護設計的優(yōu)化，使錨桿支護設計更為合理。在基于工程經(jīng)驗提出初步參數(shù)的基礎上，采用數(shù)值分析方法進行支護參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有指導意義的研究成果。

[關鍵詞]深井巷道 圍巖支護 PSO算法 參數(shù)優(yōu)化 力學分析

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）02-0169-01

1.深井支護概況

1.1 支護參數(shù)優(yōu)化概況

圍巖支護參數(shù)優(yōu)化是巷道支護設計實現(xiàn)定量決策的關鍵，科學地尋找支護參數(shù)設計在安全和經(jīng)濟兩方面之間的最佳點，對安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的意義顯而易見。錨桿支護在各種支護形式中占有舉足輕重的地位。近年來，很多學者對深井圍巖支護參數(shù)優(yōu)化的問題進行了深入的研究。

1.2 工程概況

東海煤礦的主要破壞巷道位于東海煤礦32#煤層二水平五采區(qū)下山，水平標高-600m。取下山巷道不同位置巖石進行力學參數(shù)測定得知，該下山整體巖層的巖石強度比較大，質(zhì)地堅硬，但受各種弱面（節(jié)理、裂隙等）和軟弱夾層的影響，嚴重降低了底板巖層各分層的整體強度，使得巖體出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。通過現(xiàn)場勘查和實驗室力學參數(shù)測定結果可知，32#層頂板巖層的質(zhì)量級別為П級，即較完整較堅硬巖體。所研究的巷道段圍巖巖樣抗壓、抗剪實驗測定結果如下圖（選取有代表性的巖樣應力應變曲線）：

2.深井圍巖應力分布分析

由于下山巷道圍巖處于層狀巖體中、上覆巖層存在較厚的堅硬巖層、圍巖存在較多的機理裂隙，采動影響較頻繁、采深較大且巷道斷面是矩形。因此，通過錨桿的懸吊理論、動力學平衡理論確定錨桿的參數(shù)將更加精確。[13-14]

假定深井巷道斷面為圓形且側壓力系數(shù)，根據(jù)彈性力學及巖石力學可求得任何一點的應力狀態(tài)為

其中，為徑向應力，切向應力，為剪應力，原巖應力，為圓形巷道斷面的半徑，任意點到圓形巷道斷面中心點的距離，任意點到中軸線連線與水平面的夾角，側向壓力系數(shù)。

根據(jù)三維巖體錨固范圍方程

其中，是節(jié)理裂隙對應力的影響系數(shù)，大小受巖體質(zhì)量等級的影響，這里取0.85。為初始錨固力，一般不低于25MPa，為有效預應力，單位，。其中C為與接觸表面、螺紋形式等因素有關的系數(shù)，經(jīng)實驗室測定；M為輸出扭矩，N·M，一般國內(nèi)礦山單體錨桿鉆機輸出扭矩在100～140N·M之間；為預應力損失系數(shù)，與原巖應力大小、支護表面粗糙度、錨固機具參數(shù)、工人熟練程度和時間效應等有關，取值范圍為，這里取0.60。L2取0.5～3.0的值。

由（1）（2）兩式可知圍巖應力分布及不同錨固力時錨桿錨固范圍。

由上式可知當錨桿的有效長度為2.1m即時較為合適。因此根據(jù)錨桿總長可得到錨桿長度為2.2m。依據(jù)式（1）分別求得的巷道頂板和兩幫最大徑向應力、最大切向應力和最大剪應力值，從而初步確定錨桿的直徑選取范圍為：。

由以上分析可得到錨桿錨固范圍邊界三向承載力，，。

3.數(shù)值分析

3.1 錨桿錨固模型

建立巷道圍巖在錨桿作用下的變形函數(shù)，求得變形的最大值，求得變形最大值的的位置并驗證錨桿的有效性。研究對象為東海煤礦32#煤層二水平五采區(qū)下山中段10m范圍內(nèi)的巷道圍巖，巷道設計斷面為矩形，設計凈寬5m，設計凈高3.5m，頂板錨固面積為50m2，兩幫錨固面積均為35m2。

根據(jù)結構面面壁力學特性，依照沃爾多夫（Waldorf ）的觀點，計算錨桿作用下的結構面面壁法向彈性變形為

其中，，為錨桿的初始錨固力，E為圍巖彈性模量，A為接觸面積。

根據(jù)煤礦支護安全規(guī)定的巷道圍巖變形范圍，在允許的范圍內(nèi)求出的區(qū)間，通過數(shù)值計算得到最大變形的位置。

3.2 數(shù)值過程

函數(shù)（3）對于適應度函數(shù)fitness對其參數(shù)，，做出不同方式的比較已測試其對函數(shù)結果影響。

4.結語

東海礦區(qū)32#煤層二水平五采區(qū)下山巷道是受深部高應力場困擾的主要工程之一。由于處于較深地層受采動影響較大，因此選擇該段巷道作為高應力采場巷道支護設計和現(xiàn)場試驗研究的地段。在基于工程經(jīng)驗提出初步參數(shù)的基礎上，采用數(shù)值分析方法進行支護參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有指導意義的研究成果。經(jīng)過力學分析和粒子群算法優(yōu)化后最終確定錨桿支護時圍巖發(fā)生最大變形的位置，依次為依據(jù)選擇合理的錨桿間排距，并對特殊區(qū)域進行加強支護，減少了錨桿施工過程中對圍巖表面的二次破壞。但礦井巷道圍巖支護手段一般比較綜合，通過群優(yōu)化的方法作為對支護設計時的參考需要大量的實踐驗證。

參考文獻

[1] Kennedy J，Eberhart R.Particle Swarm optimization[C].In：IEEE Int 1 Conf onNeural Networks.Perth，Austraial，1995：1942-1948.

[2] Eberhart R，Kennedy J.A New Optimizer Using Particle Swarm Theory[C].In：Procof the Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science，Nagoya，Japan，1995：39-43.

[3] 姜諳男，茹忠亮，張 嬌.基于粒子群算法和FLAC的洞室圍巖參數(shù)反分析[J].電子工業(yè)出版社. 2007. Vol.27（5）：33-35.