大断面岩巷掘进工作面支护参数的优化

大断面岩巷掘进工作面支护参数的优化

陈春春

淮河能源集团潘二煤矿   安徽淮南   232091

摘要：本文针对大断面岩巷掘进工程中支护参数优化的问题，以潘二矿西四采区单轨吊联巷为研究对象，系统地分析了围岩与支护系统的力学行为及其相互作用机制。通过构建基于围岩—支护系统的优化模型，并结合数值模拟工具对不同支护方案进行了模拟与验证，研究结果表明，优化后的支护参数组合显著提高了围岩的稳定性，降低了支护系统的变形，并在经济性上具有显著优势；

关键词：大断面岩巷掘进、支护参数优化、数值模拟

1. 引言

大断面岩巷掘进工程是矿山开采与隧道施工中常见的关键环节，其支护设计直接关系到工程的安全性与经济性。随着采矿技术的进步和对资源开采深度的增加，大断面岩巷的掘进规模和深度不断提升，随之而来的围岩稳定性问题变得愈发复杂。特别是在地质条件较为复杂的区域，传统的支护参数往往难以满足工程需求，导致安全隐患增多。因此，如何在确保安全的前提下，实现支护参数的合理优化，成为了岩巷掘进支护研究的重要方向。

2. 大断面岩巷掘进支护的理论基础

2.1 围岩与支护系统的力学行为分析

围岩与支护系统的力学行为分析是支护设计的理论基础。围岩在受到开挖扰动后，原始应力状态被破坏，形成应力释放和应力集中区域。在应力集中区域，围岩材料可能发生屈服、破坏，甚至产生岩爆现象。支护系统的作用在于通过合理的支护参数，减小围岩变形，阻止破坏扩展，确保巷道的稳定性。

在潘二矿西四采区单轨吊联巷的实际施工中，围岩与支护系统的力学行为表现出一定的复杂性。由于该区域地质条件复杂，围岩类型多样，岩体的力学性质差异显著。在开挖过程中，围岩的弹塑性变形与支护系统之间的相互作用需要通过详细的力学分析进行研究，以确定合理的支护参数。该分析过程通常包括对围岩的弹塑性模型建立、支护结构受力分析及支护系统整体性能的模拟等环节。通过数值模拟或现场试验，可以进一步了解围岩的变形规律与支护系统的力学行为，从而为支护设计提供依据。

2.2支护设计的理论依据

支护设计的理论依据主要包括岩体力学、结构力学及材料力学等方面的内容。首先，通过对围岩的分类与力学性质的研究，确定围岩的承载能力与变形特性。其次，根据支护结构的选型与布置，确定支护系统的受力状态与变形特性。最后，通过对支护材料的选用与施工工艺的优化，确保支护系统的整体稳定性与耐久性。

在潘二矿西四采区单轨吊联巷的支护设计过程中，理论依据的选择尤为重要。该工程中，支护系统不仅需要承受围岩的静态荷载，还需应对施工过程中可能出现的动态荷载。为此，支护设计必须结合现场的地质勘探数据与岩体力学试验结果，合理选择支护结构形式，并通过数值模拟与现场试验验证支护方案的可行性与有效性。

2.3 支护参数的影响因素及优化需求

支护参数的确定受到多种因素的影响，主要包括地质因素、工程因素及施工因素。地质因素包括围岩的类型、力学性质及地应力状态等；工程因素包括掘进方式、断面尺寸及施工周期等；施工因素则包括施工工艺、支护材料性能及施工环境等。这些因素共同作用，决定了支护参数的合理性与有效性。

在潘二矿西四采区单轨吊联巷的支护设计中，围岩的复杂性、地应力的高低及施工环境的变化，均对支护参数的选择产生了重要影响。例如，该区域的围岩存在较大的变形潜力，地应力集中现象严重，因此在支护参数的选择上，需要综合考虑支护结构的刚度与柔度、支护材料的强度与延性、支护系统的布置形式等因素，以实现围岩稳定与支护结构安全之间的平衡。

3. 大断面岩巷掘进支护参数的现状分析

3.1 典型工程实例的支护参数现状

在当前的工程实践中，大断面岩巷掘进的支护参数设计往往依赖于经验法与类比法。这种方法虽然在一定程度上能够满足工程需求，但在面对复杂的地质条件时，往往表现出一定的局限性。例如，在潘二矿西四采区单轨吊联巷的支护设计中，初期支护参数的选择主要基于相邻区域的支护经验，但由于该区域地质条件的特殊性，导致支护系统的适应性不足，需进行后续的调整与优化。

3.2 支护参数现状中的问题与不足

尽管现有的支护参数设计在工程实践中取得了一定的成效，但在面对复杂地质条件的大断面岩巷掘进工程时，仍存在诸多问题与不足。一方面，现有的支护参数设计多依赖于经验与类比，缺乏科学的理论依据与系统的优化方法，导致支护系统的适应性不足，容易出现围岩失稳、支护结构损坏等问题。另一方面，支护参数的设计往往忽视了支护系统的经济性与施工可行性，导致支护成本过高、施工难度增大，不利于工程的整体效益。

4. 支护参数优化方法与模型

4.1 支护参数优化的理论模型构建

大断面岩巷掘进工程中，支护参数的优化需要一个科学的理论模型来指导。这一模型的核心在于精确描述围岩与支护系统的相互作用，并通过对多目标优化的方式来平衡安全性和经济性。在支护参数优化中，通常采用围岩—支护系统的力学行为模型作为基础，通过建立目标函数和约束条件，结合优化算法，构建支护参数优化的理论模型。

支护参数优化模型的构建首先需要对围岩的力学性质进行详细分析。以潘二矿西四采区单轨吊联巷为例，该区域围岩多为中硬岩石，且存在高地应力状态。因此，在构建优化模型时，需考虑围岩的弹塑性变形特性，并使用弹塑性力学模型来描述围岩在支护结构作用下的变形行为。

4.2 支护参数优化模型的实现与验证

支护参数优化模型的实现通常通过编程和数值计算工具来完成。在实现中，首先将优化模型输入到计算机程序中，并设定初始支护参数、目标函数和约束条件。以潘二矿西四采区单轨吊联巷为例，通过Matlab编写遗传算法程序，来实现支护参数的优化求解。

在实际工程应用中，对优化后的支护参数进行现场验证是必不可少的。通过对现场支护系统的安装和监测，收集围岩的位移数据和支护结构的应力数据，并与模拟结果进行对比分析。结果表明，优化后的支护方案在实际应用中表现出良好的稳定性和耐久性，验证了优化模型的有效性和可靠性。

5. 支护参数优化分析与应用

支护参数优化的目标通常包括提高围岩的稳定性、减少支护结构的变形、降低支护系统的成本等。在潘二矿西四采区单轨吊联巷的支护参数优化中，优化目标主要集中在围岩变形控制和支护成本的平衡上。

约束条件设定包括围岩的允许变形范围、支护结构的强度极限、材料的施工可行性等。对于潘二矿西四采区，考虑到围岩的复杂性和地应力的高低，约束条件可以进一步细化，这些约束条件确保了优化过程的工程可行性，使得优化结果既满足安全性要求，又具有较高的经济性。

6. 总结

通过对潘二矿西四采区单轨吊联巷支护参数的优化研究，本文构建了基于围岩—支护系统力学行为分析的优化模型，利用数值模拟工具对不同支护方案进行了详细的模拟与分析，并通过敏感性分析确定了关键支护参数的影响程度。研究结果表明，通过合理的支护参数优化，能够显著提高大断面岩巷掘进工程的围岩稳定性，降低支护成本，缩短施工周期，从而实现安全性与经济性的最佳平衡。优化后的支护方案在实际工程中表现出良好的稳定性和耐久性，为类似工程的支护设计提供了科学依据和参考。

参考文献

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