二次动压巷道支护设计与参数优化

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2006.03.003 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2006 二次动压巷道支护设计与参数优化 吴顺川1)高谦1)刘福军2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)阳泉煤业集团公司，阳泉045000 摘要采用正交数值试验和灰色理论中的关联度分析，进行阳泉矿区二次采场巷道的分析与支 护参数优化决策.选择13因素3水平的正交试验方案，进行27次试验，分析了不同应力状态和支 护参数的巷道稳定性与变形特征，在计算中采用巷道稳定性和变形收敛率等多种评价指标，进行 了局部优化：考惑支护成本和施工难易等因素，采用灰色理论，进行最佳方案的关联度分析.该研 究已应用于阳泉矿区二次采场巷道支护设计，并取得较满意的支护效果. 关键词煤矿巷道；巷道支护；预应力锚索；优化设计 分类号TD325 预应力锚索支护技术在阳泉矿区的应用，解 一个工作面的进风、运输巷道.作为本工作面的 决了采场巷道支护的关键问题，产生巨大的经济 瓦斯尾巷，巷道首先受采场的一次采动影响.在 效益.随着矿区采煤机械化程度的不断提高，巷 结束一次采动以后，整个尾巷都受到采场应力集 道断面加大；矿区开采深度随之增加，采场巷道地 中的影响.由于尾巷作为下一个采场开采的进风 压显现也日趋加剧.另外，阳泉矿区煤层含有大 巷，所以下一采场向前推进时，在尾巷（相对于该 量的CH4气体，不得不在开采布置时，增加了承 采场的进风巷)上产生二次采动应力 受二次动压作用的CH4尾巷，以便作为抽排易燃 4 3 易爆气体的必备巷道，确保采矿生产的安全.该 6 8 尾巷不仅受到一侧回采工作面的采动影响，而且 9 还承受另一侧工作面回采的作用.承受二次动压 的巷道，变形破坏十分严重，垮冒现象屡见不鲜， 1一采区皮带巷；2一采区轨道巷；3一采区回风巷；4,6一瓦斯 尾巷：5,8一工作面回风巷：7一工作面切巷：9一工作面进风巷 本文针对阳泉煤矿二次动压巷道存在的支护问 图1回采工作面巷道布置示意图 题，进行了锚固支护设计与参数优化研究 Fig.1 Sketch of the laneway in the mining area 1矿区工程条件与二次动压 2锚固参数优化正交数值试验 阳泉3#煤层处于层状岩体中，埋藏深度300 2.1正交数值试验设计 ~600m,平均380m;煤层厚度2.3-2.8m,平均 为进行二次动压采场巷道的支护参数优化， 2.15m;煤层倾角2~10°，平均5°；煤层坚固系数 需要建立采动应力与锚固支护参数的关系，在此 f为2~3.煤层老顶为灰白色中粒砂岩，厚度 采用了正交数值试验方法，正交试验是进行多因 3.45m;直接顶为黑灰色砂质页岩，厚度1.65m, 素分析的研究方法，它是根据正交性从全面试验 含植物化石，局部被冲蚀；伪顶为灰黑色高岭石泥 中挑选出部分有代表的点进行试验，这些代表点 岩，厚度0.12~0.36m,平均厚0.28m. 具有“均匀分散，齐整可比“的特点山.针对二次 煤层回采工作面的巷道布置如图1所示，3# 动压巷道的实际情况，综合考虑了各个因素，选取 煤层开采涉及进风巷、回风巷和瓦斯尾巷等采场 了如表1所示的13因素3水平的正交试验 巷道.如图所示，承受二次动压瓦斯尾巷将服务 表2-].假设各因素间无交互作用，对所确定的 于两个工作面，即作为本工作面的瓦斯尾巷和下 13个因素选择L27(133)正交分析表安排试验，即 收稿日期：2005-06-15修回日期：2005-09-14 对于二次动压尾巷的铺固设计，3水平13因素的 作者简介：吴顺川(1969一)，男，副教授，博士 正交试验最少试验次数为27次

第 2 8 卷 第 3 期 2 0 0 6 年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n ive rs i ty o f S e i e n ce a n d T e e h n o log y B e幼in g V o l . 2 8 N o . 3 M ar . 2 0 0 6 二次动压巷道支护设计 与参数优化 吴) ,项川 ` ) 高 谦 ` ) 文 , J福 军 2 ) l) 北京科技大学金属 矿山 高效开采与安全教育部重点实验 室 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 阳 泉煤业 集团公司 , 阳泉 。 4 5 0 0 摘 要 采用正交数值试验和 灰色理论 中的关联度分析 , 进行阳 泉矿 区二次采 场巷道的分析与支 护参数优 化决策 . 选择 13 因 素 3 水平的正交试验方 案 , 进 行 27 次试验 , 分析 了不同应力状态和支 护参数的巷道稳定性与变形特 征 . 在计算 中采用巷道 稳定性和变形收敛率等 多种评价指标 , 进行 了局部优化 ; 考虑支护成本和 施工难易等因素 , 采用灰色理论 , 进 行最佳方案 的关联 度分析 . 该研 究已 应用于 阳泉矿区 二次采场巷道支护设计 , 并取得较满意的支 护效果 . 关键词 煤矿巷道 ; 巷道支护 ; 预应力锚索 ; 优化设计 分类号 T D 3 2 5 预应力 锚 索支 护 技术 在 阳 泉矿 区 的应 用 , 解 决 了采场巷道 支护 的关键 间题 , 产 生 巨 大 的经 济 效 益 . 随着 矿 区 采 煤机 械 化 程 度的 不 断提 高 , 巷 道 断面 加大 ; 矿 区开采深度随 之增加 , 采场巷道 地 压显现 也 日趋 加 剧 . 另外 , 阳泉矿 区煤层含 有大 量的 c 执 气体 , 不得 不 在 开 采 布置 时 , 增 加 了 承 受二次动 压作用 的 C氏 尾 巷 , 以 便作为 抽排 易 燃 易爆 气 体 的必 备 巷道 , 确保采 矿 生产的 安全 . 该 尾巷 不仅受到 一 侧 回采 工 作面 的采 动影 响 , 而 且 还承 受另一侧 工作 面 回采 的作 用 . 承 受二 次动 压 的巷道 , 变形破 坏十分严重 , 垮 冒现 象 屡见 不鲜 . 本文 针对 阳 泉煤矿 二次 动压 巷道存 在 的支护 问 题 , 进行了锚 固支 护设计与参数优化研 究 . 一个 工 作面 的进 风 、 运输巷 道 . 作 为 本工 作 面 的 瓦斯尾 巷 , 巷道首 先 受 采场 的 一次 采 动影 响 . 在 结束 一次采 动 以后 , 整 个尾 巷 都受到 采场应 力 集 中的影响 . 由于 尾巷作 为下 一个 采场开采 的进风 巷 , 所以下一 采场 向前推 进 时 , 在尾巷 (相 对 于该 采场的进风巷 ) 上产 生二 次采动应 力 . 3 / 6 _ s 1一采 区 皮带巷 ; 2一采 区 轨道 巷 ; 3一采 区 回 风巷 ; 4 , 6一瓦 斯 尾巷 ; 5 , 8一工作面回风巷 ; 7 一工作 面切巷 ; 9 一工作面进风 巷 图 1 回 采工作面巷道布置示意图 F ig . 1 S k et 比 of t h e l an 姗ay i n t h e m i n i gn are a 1 矿区工程条件与二次动压 阳 泉 3 # 煤 层 处于 层状 岩体 中 , 埋 藏深 度 3 0 一 6 0 0 m , 平均 3 8 0 m ; 煤层厚 度 2 . 3 一 2 . s m , 平均 2 . 1 5 m ; 煤 层倾角 2 一 1 0 ’ , 平均 5 。 ; 煤层坚 固系 数 f 为 2 一 3 . 煤层 老 顶 为 灰 白色 中 粒 砂 岩 , 厚 度 3 . 4 5 m ; 直接顶 为黑 灰色 砂 质 页岩 , 厚 度 1 . 65 r L, 含 植物化石 , 局部被 冲蚀 ; 伪顶为 灰黑色 高岭石 泥 岩 , 厚 度 0 . 1 2 一 0 . 3 6 m , 平均厚 0 . 2 8 m . 煤层 回采工作面的巷道布置如 图 1 所示 . #3 煤层 开采涉及 进 风 巷 、 回 风 巷 和 瓦斯尾 巷等采 场 巷道 . 如 图所 示 , 承 受二 次 动 压瓦 斯 尾巷 将 服 务 于两个 工作面 , 即 作为本 工 作 面 的瓦斯 尾 巷 和 下 收稿 日期 : 2 0 0 5 一 0 6 一 1 5 修回 日期 : 2 0 0 5 一 0 9 一 14 作者简介 : 吴顺川 ( 19 6 9一 ) , 男 , 副教授 , 博士 2 锚固参数优化正交数值试验 2 . 1 正 交数值试验设 计 为进 行二次 动 压 采场巷 道的支 护参数 优 化 , 需要建 立采动应 力与 锚固支 护参 数 的关 系 . 在此 采用 了正交数值试验方法 . 正 交试 验是进 行 多 因 素分 析的研究方法 , 它是 根据正 交性 从 全 面试 验 中挑选 出部分有代表 的 点进 行 试验 , 这 些 代表 点 具 有 “ 均 匀分散 , 齐 整 可 比 ” 的 特 点川 . 针对 二 次 动压巷道的实 际情况 , 综合考虑 了各个 因素 , 选取 了如 表 1 所 示 的 13 因 素 3 水 平 的 正 交 试 验 表 〔2 一 ” 〕 . 假设 各 因 素间 无 交 互 作用 , 对 所 确 定 的 13 个 因素选择 L 2 7 ( 13 ” ) 正交分 析表安 排试验 , 即 对 于二次 动压尾 巷的锚 固设 计 , 3 水平 13 因素的 正 交试验 最少试验 次数为 27 次 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 03. 003

·216· 北京科技大学学报 2006年第3期 表1阳泉矿区锚索支护二次动压巷道正文数值试验因素与水平 Table 1 Numerical examination factors and levels of reinforcement by cable in Yangquan mining area 设计水平 类别 序号 因素 代号 1 2 煤柱宽度 1 巷道煤柱宽度/m 20 15 10 2 二次应力影响范围/m 场 24 出 二次应力 3 等效二次峰值系数，a C 1.2 1.3 1.4 4 错杆长度/m D 1.8 2.2 2.6 5 锚杆间距/m E 0.6/7根 1.05/4根 1.4/3根 顶板 6 错索长度/m 8 10 12 7 锚索间距/m Q 1.4/3根 2.1/2根 4.2/1根 锚素排距/m H 1.6 1.8 2.0 9 锚杆长度/m 1 1.8 2.2 2.6 10 锚杆何距/m 0.5/6根 0.83/4根 1.25/3根 两帮 11 一帮锚发长度/m 个 6 7 8 12 一帮锚索间距/m 0.83/3根 1.25/2根 2.5/1根 3 一帮锚索排距/m M 1.6 1.8 2.0 2.2方案数值模拟 坏时几乎使巷道围岩全部挤死而无法通行是煤矿 按照二次动压巷道正交试验第1计算方案所 常见的现象，主要原因为巷道底板没有采用锚杆 确定的计算参数，采用有限差分软件Flac2D进行 或锚索进行加固.其他部位的破坏机理为剪切屈 数值计算[4，图2为第1方案计算位移矢量图和 服破坏，变形相对较小，究其原因锚杆和锚案不仅 塑性区图.从图中发现，由于巷道左、右两帮施加 提高围岩的抗剪切破坏强度，同时提高了围岩抗 长锚索和短锚杆两种不同类型的支护，故两帮围 拉强度[] 岩塑性区分布存在显著差异，对于左帮长锚索支 2.8 护，仅在左下侧有局部塑性破坏区，而右帮在铺杆 2.6 之外存在大范围的塑性区 24 k33 ,31 w1✉x'x''x'x 2.0 1.8 2.7 1.6 2.3 州 262.83.0 32 34 36 4.0 图3第1计算方案变形失稳状态位移矢量和塑性区 器3多m天慧 1.9 .7 Fig.3 Displacement vector and plastic zone of distortion and 2.62.83.03.23.43.63.84.04.2 unstable state by the numeration scheme No.1 图2第1计算方案的位移矢量和塑性区 2.3正交数值试验结果分析 Fig.2 Displacement vector and plastic zone plot of the numera- tion scheme No.1 同第1计算方案的计算步骤，根据正交试验 图3为未加固状态下巷道变形失稳状态的位 表，进行27次计算，由此可以获得不同应力环境 移矢量和塑性区图.可见，巷道变形破坏主要在 下、不同支护参数组合方案的巷道位移与稳定安 底板部位，其破坏机理主要为张拉破坏，巷道底板 全系数.因篇幅限制，表2仅列出了前3个方案 在拉应力的作用下，破裂、底鼓直至与顶板闭合， 的计算结果，经比较，得出以下主要结果： 导致整个巷道变形破坏，最终变形破坏的最大位 (1)随着支护强度的降低，巷道位移随之增 移矢量达到2.06m.显然，对于2.5m的巷道，破 大，稳定安全系数都随之减小

· 2 1 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 3 期 表 1 阳泉矿区锚索支护二次动压巷道正交数值试验因素与水平 aT b l e 1 N u m e d c a l e x a而 。 时 i o n af e t o sr a而 l e v e l s o f er i n of r c e m e n t b y c a b l e i n Y a n g q u an m i n i gn a卿 设计水平 类别 序号 因 素 代号 煤柱宽度 二次应力 2 0 1 . 2 2 4 2 8 1 . 3 1 . 4 0 . 6/ 7 根 1 . 0 5 / 4 根 1 . 4/ 3 根 顶板 1 . 4/ 3根 2 . 1/ 2 根 4 . 2/ 1根 两帮 9 1 0 1 1 巷道煤柱宽度 /m 二次应力影响范 围 /m 等效二次 峰值系数 , a 锚杆长度 / m 锚杆间距 / m 锚索长度 / m 锚索 间距 / m 锚索排距 / m 锚杆长 度 / m 锚杆间距/ m 一帮锚索长度 / m 一帮锚索间距 / 。 一帮锚索排距 / m 0 . 5/ 6 根 0 . 8 3 / 4 根 1 . 25 / 3 根 1 2 1 3 0 . 8 3 / 3 根 1 . 2 5 / 2 根 2 . 5/ 1 根 2 . 2 方案数值模拟 按照二 次动 压巷道正交试验第 1 计算方案所 确 定的计算参 数 , 采 用 有 限差 分软件 lF a 产D 进 行 数值计算4[J , 图 2 为 第 1 方 案 计算位 移 矢 量 图和 塑性区图 . 从 图 中发 现 , 由于 巷道左 、 右两 帮施 加 长锚索和短锚杆 两 种不 同类型 的 支 护 , 故两 帮 围 岩塑性 区 分布存在 显著差 异 . 对于 左 帮长锚 索 支 护 , 仅 在左下侧有局 部塑性 破坏 区 , 而右帮在锚 杆 之外存在大范 围的塑性 区 . 坏时几 乎使巷道围岩全部挤 死而 无法通行 是煤矿 常见的现象 , 主 要原 因为巷道底 板 没有 采 用锚 杆 或锚索进行加 固 . 其他部位的破 坏机 理 为剪切 屈 服破坏 , 变形 相对 较小 , 究其原因锚杆和 锚索 不仅 提高 围岩 的抗 剪切 破坏 强 度 , 同 时提 高 了 围岩 抗 拉强度 5j[ . 工扭斗三 〔军 仑 . 、 ~ 裂 一 { 侧 协 」 二习马 x 宁有 二生 州 于 妞 斑 斗彭套防 不 纂 下不 门 十 石 , - - 面 , 下 ; 考 干降于告砰 ,奋 , 1 尹 下 二 下 , - 笼 · 「 : 卜 , ` } , ` } , ` 一 , ` · 一 { ` · } 、 · }三不硫 案 ` } . ’ { 姗 几 小 } , 三泽 丝渐认 , { · { 、 l , } · ` 7 , l , 、 } 小 } · · { , { · · 卜匕胜 “ } · ( , } , 1 减 } , , } , } , { , { · { , 巨卜 。 } , 洲 · { 回 , ! · l 二 { , { , } , { · {叫 } 代 l 笼 } , 卜 . } , { , . } , 刁 尸钾肠 、 ` 、 、 、 、 、 \ 二 、 、 从从\ 从、 从从从` 、 \ 、 、 , ` 拭 、 . ’ 从 ` 、 , 、 , 、 x 、 、 , 洲 轰x 从狡从从从从从从、 x 、 、 、 只 ` 、 1 . ` x ` 、 、é内,产ù J ,月. … ù勺山, 一撇撰 2 少 夯刀 产卜气气乏气 气 x 厂厂尸八、 、 叉-x 气 气 1 . 9 1 . 7 2石 2名 3乃 3 2 3 . 4 3 . 6 3名 4 . 0 4 2 图 3 第 1 计算方案变形失稳状态位移 矢t 和塑性区 F i g . 3 D i s P I毗毗 n t v e e t or a n d P las ti e z o en o f d i s t o rt i o n a n d un s t a b l e s t at e by t h e n u r n e ar t i o n s e h e m e N o . 1 妞父双大城筑封叉盆X洲Xx 、 ` 马 . , ` 、` 、. , … 才廿户J , 户rù, 盆洲耳书义X火沉Xx 、 ``J I .l 才廿,`产rl、rl 尸刘刘泪引别x 友门曰侧巨目口拼城臼闰匆七减义入跳n助.目 川州盯丫jxJ幻刘尸rr .、 ù、 、 创州尸丫厂尸们妇引刻司目川刘州xl .、 一ō、 、 、、、 x ō一蕊 从 、\/沉洲冰盆 , 、沉x 、 万洲X.X 、 、` 翻城又X 图 2 第 1 计算方案 的位移矢量和塑性区 iF g . 2 D i s p l a ce me n t v e c t o r a dn Pl a st l e z o n e P IOt o f t h e n o 川口e r a - t i o n s C h e 刃口e N o 。 1 图 3 为未加 固状态下 巷道变形 失稳 状态 的位 移矢 量 和塑 性 区 图 . 可 见 , 巷道变形 破坏 主 要 在 底板部位 , 其破坏机 理主要 为张拉破坏 , 巷道底板 在拉应 力的 作用下 , 破裂 、 底 鼓直至 与顶 板 闭合 , 导致整个 巷道变形 破 坏 , 最 终变形 破 坏的最 大位 移矢量达到 2 . 06 m . 显 然 , 对于 2 . 5 m 的巷 道 , 破 2 . 3 正交数值试验结果分析 同第 1 计 算方案 的计算步 骤 , 根据正 交 试 验 表 , 进 行 27 次 计 算 , 由此 可 以获得 不同 应力 环 境 下 、 不 同支护参 数组 合方 案的 巷道位 移 与稳 定 安 全系数 . 因篇 幅限制 , 表 2 仅列 出了前 3 个方 案 的计算结果 . 经 比较 , 得 出以下 主要结果 : ( 1) 随 着支 护强 度 的 降低 , 巷道 位移随之 增 大 , 稳 定安全 系数都随之减小

Vol.28 No.3 吴顺川等：二次动压巷道支护设计与参数优化 ·217· 表2阳泉3#煤层二次动压巷道正交分析第1~3计算方案计算结果 'Table 2 Computed results from the numeration schemes No.1~3 in Yangquan mining area 最大位移 顶底板 两帮 稳定安全 方案 矢量/cm 顶板位移/cm 底板位移/cm相对收敛率/% 左帮位移/cm右帮位移/cm相对收敛肃/% 系数，f。 27.87 -14.65 27.67 16.93 15.79 -16.47 8.07 1.45 2 33.19 -18.85 33.19 20.82 19.41 -20.15 9.89 1.36 3 36.91 -21.93 36.90 23.53 22.23 -22.53 11.19 1.33 (2)巷道相对收敛率，顶底板远大于两帮，表 应的最佳支护方案.由此可见，卷道的评价指标 明顶底板位移收敛率决定了巷道能否正常使用， 不同，各影响因素的影响程度也不尽相同，且对应 3巷道锚固支护参数优化 着不同的支护方案.总体上看，对于不同的评价 指标，应力环境影响程度最大.但是对于影响巷 3.1巷道支护参数的局部优化结果 道两帮变形，应力环境虽占主导因素，似乎顶板支 为了对各影响因素的影响程度进行定量评 护参数更重要，尤其是顶板锚杆参数，对控制巷道 价，采用影响因子的概念，影响因子越大，说明该 两帮变形具有重要作用.当然，在实际工程中，优 因素的影响程度也就越大6)，为消除不同应力系 化参数不仅应综合巷道的不同评价指标，而且还 数及其影响范围的影响，对于每一方案所计算的 应考虑巷道的支护费用、施工难度以及工作效率 评价指标值均除以应力系数和影响范围，并据此 等综合因素.因此，本文对各方案计算其具体费 来选择最佳支护方案 用，作为最终评价指标进行分析 表3列出了各影响因素的影响因子，以及对 表3巷道稳定性彭响因素因子值 Table 3 Values of influence factors on tunnel stability 顶板支护参数 两帮支护参数 影响因子 应力环境 锚杆 锚紫 锚杆侧 锚索侧 比例/% 比例/% 柱宽范围系数比例/%杆长杆数素长索数索距 杆长杆数素长索数索距 安全系数 3.06.411.343.60 3.45.02.23.72.535.401.82.42.7 1.01.9 20.60 顶底板收敛率16.14.89.645.706.811.33.41.82.238.201.01.24.41.72.416.00 两帮收敛率112.240.071.738.9062.1122.752.929.111.249.5023.412.516.06.71.110.60 最大位移矢量32.112.520.448.9817.120.38.74.51.038.933.55.04.51.61.5、12.09 3,2全局最优方案的优化决策 案及参数，在上述局部优化基础上，利用灰色理论 在实际工程中，优化参数不仅要考虑不同的 中的关联度分析[？】，对三种局部优化支护参数 评价指标，而且还应考虑巷道的支护费用、施工难 进行整体优化决策.仅列出三个支护方案的技术 度以及工作效率等因素，这种综合考虑不同评价 经济指标，如表4所示，根据关联度计算，得到第 准则、支护成本和施工难度所获得的优化方案称 13计算方案最优，最优支护参数和相应的计算指 之为全局优化方案，由此对应的支护参数称为全 标列于表5和表6. 局优化参数.为了获得二次动压巷道全局最优方 表4不同支护方案的关联度评价指标 Table 4 Evaluation targets by different reinforcement schemes 顶底板相对 两帮相对 最大位移 方案 总费用/元 安全系数 试验号 收敛率/% 收敛率/% 矢量/m 0 1109.2 0.00481 0.00016 0.00009 0.03534 13 1 1644.7 0.00481 0.00076 0.00032 0.12090 名 2 1109.2 0.00161 0.00016 0.00009 0.03534 7

V o l . 2 8 N o . 3 吴顺川等 : 二次动压巷道支护设 计与参数优化 表 2 阳泉 3 #煤层二次动压巷道正交分析第 1一 3 计算方案计算结果 T a b l e 2 C o m P tu e d r e s u l t s f r o m t h e n u m e r a t i o n s e h e幻 n e s N o . 1一 3 i n Y a n g q n a n m i川 n g a re a 顶底板 方案 最大位移 矢量 / c m 顶板位移 / c m 两帮 底板位移 / c m 相对收敛率 / % 左帮位移 / 。 m 右帮位移 / c m 稳定安全 相对收敛率 / % 系数 , 几 2 7 . 8 7 一 1 4 . 6 5 2 7 . 6 7 , 16 9 3 15 . 7 9 一 1 6 . 4 7 8 . 0 7 2 3 3 . 19 一 18 . 8 5 3 3 . 1 9 2 0 . 8 2 1 9 . 4 1 一 2 0 . 1 5 9 . 8 9 1 . 4 5 1 3 6 3 3 6 . 9 1 一 2 1 . 9 3 3 6 . 9 0 2 3 5 3 2 2 . 2 3 一 2 2 . 5 3 1 1 . 1 9 1 . 3 3 ( 2) 巷道相 对收 敛率 , 顶 底 板远大于 两 帮 , 表 明顶底板 位移收敛率决定 了巷道能 否正 常使 用 . 3 巷道锚 固支护参数优化 3 . 1 巷道支 护参数 的局部 优化 结果 为 了对 各 影 响 因素 的影 响 程 度 进 行 定 量 评 价 , 采用 影 响 因子 的概 念 , 影响 因子 越大 , 说明该 因素的影 响程度也 就越大 [ “ 〕 . 为 消除不 同应力 系 数及 其影响范 围的 影 响 , 对 于 每一 方案 所计算的 评价指标值均 除以应 力 系 数和 影 响范 围 , 并据此 来选 择最佳 支护方 案 . 表 3 列 出 了各 影 响 因 素的 影 响 因子 , 以及对 应 的最 佳 支护 方 案 . 由此 可 见 , 巷 道 的评 价指 标 不 同 , 各影 响 因素的影响 程度也 不尽相 同 , 且对 应 着不 同的支护 方 案 . 总 体上 看 , 对 于 不 同的评价 指标 , 应 力 环 境影 响 程度 最大 . 但是对 于 影 响巷 道两 帮变形 , 应力环 境虽 占主导 因素 , 似乎 顶板支 护参数 更重要 , 尤其是 顶板锚杆参 数 , 对控 制巷道 两 帮变形 具 有重要 作用 . 当然 , 在实 际工程 中 , 优 化参数不仅应 综合巷 道 的不 同评价 指 标 , 而 且还 应考虑巷道 的支 护 费用 、 施 工难度 以及 工 作效率 等综 合 因素 . 因此 , 本 文 对 各方 案计算其具体费 用 , 作 为最终评价指标 进行分析 . 表 3 巷道稳定性影响因素因子值 介b l e 3 V a l ue s o f i n 口u e n c e af e t o sr o n t u nu e l s t a b ili yt 影响 因子 应力环境 顶板支护参数 锚杆 锚索 两帮支护参数 比例/ % 柱宽 范围 安全系数 3 . 0 6 . 4 顶底板收敛率 16 . 1 4 . 8 两 帮收敛率 1 12 . 2 40 . 0 最大位移矢量 犯 . 1 12 . 5 系数 比 例/ % 杆长 4 3 . 6 0 3 . 4 4 5 . 7 0 6 . 8 3 8 . 9 0 6 2 . 1 4 8 . 9 8 1 7 . 1 杆数 索长 索数 2 . 2 3 . 4 索距 2 . 5 锚杆侧 锚索侧 比 例/ % — — 杆长 杆数 索长 索数 索距 3 5 . 4 0 1 . 8 2 . 4 2 . 7 1 . 0 1 . 9 3 8 . 2 0 1 . 0 1 . 2 4 . 4 1 . 7 2 . 4 4 9 . 5 0 2 3 . 4 12 . 5 1 6 . 0 6 . 7 1 . 1 3 8 . 9 3 3 . 5 5 . 0 4 . 5 1 . 6 1 . 5 2 0 . 6 0 1 l 12 2 8 2 . 2 16 . 0 0 7 5艾{ . 9 2 9 . 1 1 1 . 2 1 0 . 6 0 12 . 0 9 3 . 2 全局最优 方案 的优化决 策 在 实际工程 中 , 优 化参数 不仅 要 考虑 不 同 的 评价指 标 , 而 且还应考 虑巷道 的支护 费用 、 施工难 度 以及 工作效 率等因素 . 这种 综合考虑 不 同评价 准则 、 支 护成本 和 施工 难度所 获 得 的优 化 方 案称 之为全局 优化 方 案 , 由此 对 应 的支 护参数称为全 局优化 参数 . 为 了获得二次 动压巷道 全局最 优方 案及 参数 , 在上述局部优化基础 上 , 利用 灰色理论 中的关联 度 分 析 〔7一 , 对三 种 局 部 优 化 支护 参数 进行 整体优化决 策 . 仅 列 出三 个支护方 案的技术 经 济指标 , 如表 4 所 示 . 根据 关联度 计算 , 得到 第 13 计算方案最优 , 最优 支护 参数 和相 应 的计 算指 标列 于表 5 和表 6 . 表 4 不同支护方案的关联度评价指标 T a b l e 4 E v a l u a t i o n t a r g e t s 勿 d i fe er n t er i n fo r e e m en t s e h e m e s 方案 总费用 / 元 安全系数 顶 底板相对 收敛率 / % 两帮相对 收敛率/ % 132 1 10 9 7 . 2 0 . 0 0 4 8 1 0 . 0 0 0 1 6 0 . 0 0 0 0 9 1 6 4 4 . 7 0 . 0 0 4 8 1 0 . 0 0 0 7 6 0 . 0 0 0 32 10 9 . 2 0 . 0 0 1 6 1 0 . 0 0 0 1 6 0 . 0 0 0 0 9 最大位移 矢量 / m 0 . 0 3 5 3 4 0 . 1 2 0 9 0 0 . 0 3 5 34 试验号

·218· 北京科技大学学报 2006年第3期 表53#煤层二次动压巷道最优支护参数 锚固支护可以改善围岩应力分布，减小巷道围岩 Table 5 Optimal parameters of reinforcement of the secondary dy- 塑性区半径及表面位移；并且随着支护强度的降 namic pressure tunnel located in 3 coal layer 低，巷道围岩的表面位移和塑性区范围明显增大， 锚紫长顶板锚锚索排顶板锚每帮锚 锚杆排 稳定安全系数随之减小， 度/m 素/根 距/m杆长度/m杆/根 距/m (3)二次采动巷道最佳支护方案，不仅要考 10 1 2.0 2.0 3 1.5 虑巷道稳定性及变形因素，同时还应考虑支护成 本、维护费用和施工难易程度等因素，巷道支护 表6最佳支护参数所对应的计算指标 Table 6 Computed factors corresponding to the best reinforcement 方案的优化决策，可采用灰色理论进行综合决策， parameters 从而给出全局最优方案 影响 稳定安顶底板两帮最大位 最优应力 矿柱/ 范围， 全系数，收敛收敛移量/ 参考文献 方案系数 m D/m f。率/%率/%cm [1]陈希儒.数理统计引论.北京：科学出版社，1997 71.428201.2612.767.0227.71 [2】方开泰，马长兴.正交与均匀试险设计.北京：科学出版社， 2001 [3]唐启义，冯明光，实用统计分析及其DPS数据处理系统 4结论 北京：科学出版社，2002 (1)巷道稳定性和相对位移收敛率反映了巷 [4]高永涛，吴顺川，孙金海.预应力锚杆锚固段应力分布规律 及应用.北京科技大学学报，2002,24(4)：387 道强度和变形的特征，它们从不同侧面反映巷道 〔5]勾攀峰.巷道锚杆支护提高围岩强度和稳定性的研究[学 的使用性态，正交数值试验结果表明，二次动压巷 位论文].北京：中国矿业大学，1998 道顶底板相对收敛率远大于两帮，表明顶底板位 [6]李效甫，姚建国.回采巷道支护形式与参数合理选择专家 移收敛率控制着巷道的使用功能. 系统.北京：燃料工业出版社，1993 (2)二次动压巷道采场的应力环境对巷道的 [7]刘同有，马念杰，高谦.地下巷道工程可常度分析.北京：中 国矿业大学出版社，1998 稳定和变形起主导地位，因此控制采场的采动应 力是维护巷道稳定性以及减小变形的关键措施， Reinforcement design and parameters optimization for a secondary dynamic pressure tunnel WU Shunchuan,GAO Qian,LIU Fujun2) 1)The State Key Laboratory for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Yangquan Coal Corporation,Yangquan 045000,China ABSTRACT The orthogonal experiment method and the associated analysis of the grey theory were used to analyze the results of numerical simulation and to optimize the supporting parameters for a coal mine tun- nel affected by two-mining in Yangquan mining area.The designed orthogonal experiment needs 27 numer- ical simulations including 13 factors with 3 levels for each one.According to the supporting parameters, tunnel stabilization and deformation in the condition of different stresses and supporting parameters were analyzed.Some criteria of tunnel stabilization and deformation to determine a corresponding local optimiza- tion scheme were computed.Based on consideration of the supporting cost and difficulty of construction comprehensively,an optimal supporting scheme for the secondary dynamic pressure tunnel was deduced by the associated analysis of the grey theory.The research results were put into use in Yangquan mining area and got the satisfied support effect. KEY WORDS coal mine tunnel;laneway support;pre-stressed anchor;optimization design

2 1 8 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 3期 表 5 3# 煤层二次动压巷道最优支护参数 T a b l e 5 O P tim a l P a r am e t e sr o f er i n of ecr me n t o f t h e s e oc nd a yr yd · mna i c p卿 s uer t u ne 一 l o act “ i n 3# oc 目 I a ” r 锚索长 度 /m 顶板锚 索 /根 锚索排 顶板锚 每帮锚 距 /m 杆长度 /m 杆 /根 锚杆排 距 /m 1 0 1 2 . 0 2 . 0 3 1 . 5 表 6 最佳支护参数所对应的计算指标 Ta b l e 6 C om P u tde af c t毗 e o爪 sP o n d i n g t o the b es t eri n of ecr me n t p a r a n le t e sr 锚固支护 可以 改善 围岩应 力 分布 , 减 小 巷 道 围岩 塑性区半径及表面 位移 ; 并且 随 着 支护 强 度的 降 低 , 巷道围岩的表面位 移和塑性区 范 围 明显增 大 , 稳定 安全 系数随之 减小 . ( 3) 二 次 采 动巷道 最 佳 支 护方 案 , 不仅要考 虑巷道稳定性及变形 因素 , 同时还 应 考虑 支护 成 本 、 维 护 费用和 施 工难 易程 度等 因素 . 巷道 支 护 方案的优化决 策 , 可采用灰 色理论 进行综 合决策 , 从而给 出全 局最优方案 . 最优 方案 应力 系数 飞. 1 门1J之. J . 岛乙八j 1 ù.esLr 顶底板 收敛 率 / % 最大位 移量 / 参 考 文 献 7 1 . 4 2 8 20 1 . 2 6 12 . 7 6 7 . 0 2 2 7 . 7 1 勺J卫. , , . 1 4 亡、ù ! 67 r.L f L 4 结论 ( 1) 巷道稳 定性和 相对 位移 收敛 率反映 了巷 道强度和变形 的特征 , 它 们从 不 同侧面 反 映巷 道 的使用性态 , 正交 数值试验 结果 表明 , 二次动 压巷 道顶底 板相对 收 敛率远 大于两 帮 , 表 明顶底 板 位 移收 敛率控 制着巷道的使用功 能 . ( 2) 二 次动 压巷道采 场的应力 环境对 巷道的 稳定和变形起 主导 地 位 , 因 此控制采场 的采 动应 力是维护 巷道稳定 性以 及减 小 变形 的关键措 施 . 陈希孺 . 数理统计 引论 . 北京 : 科学 出版社 , 19 9 7 方开泰 , 马长兴 . 正 交与均匀试验设计 . 北京 : 科学出版社 , 2 0 0 1 唐启义 , 冯 明光 . 实用统 计分析 及其 D P S 数据 处理 系统 . 北京 : 科学 出版社 , 2 0 02 高永涛 , 吴顺川 , 孙金海 . 预应力锚杆锚 固段应力分布规律 及应用 . 北京科技大学学报 , 20 0 2 , 24 ( 4 ) : 3 8 7 勾攀峰 . 巷道锚杆 支护提高 围岩强度和 稳定性 的研 究〔学 位论文 〕 . 北京 : 中国矿业大学 , 19 9 8 李效甫 , 姚建国 . 回 采巷道支 护形式与 参数合理选 择专家 系统 . 北京 : 燃料工业出版社 , 1 9 93 刘 同有 , 马念杰 , 高谦 . 地下巷道工程可靠度分析 . 北京 : 中 国矿业大学 出版社 , 19 98 R e i n f o r e e m e n t d e s i g n a n d P a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n f o r a s e e o n d a r y d y n a m i e P r e s s u r e t u n n e l W U hS u n c 人u 。 , ` ) , 以o Q 艺a , 1 ) , 五了u ujF u , 2 ) 1 ) T h e S t a t e K e y L a b o ar t o r y fo r H i g h 一 e f f i e i e nt Mi n i n g a n d S a f e t y o f M e t a l M i n e s , Miin s t r y o f E d u e a t i o n , U n i v e r s i t y o f S e i e cn e a n d T e e h n ol o g y B e ij i昭 , B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a 2 ) Y a 昭q u an oC a l C o r op r a t io n , Y a n g q u an 0 4 5 0 00 , C h i n a A B S T R A C T T h e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t m e t h o d a n d t h e a s s o e i a t e d a n a l y s i s o f t h e g r e y t h e o r y w e r e u s e d t o a n a l y z e t h e r e s u l t s o f n u m e r i e a l s i m u l a t i o n a n d t o o p t im i z e t h e s u p p o r t i n g p a r a m e t e r s fo r a co a l m i n e t u n - n e l a ff e e t e d b y t w o 一 m i n i n g i n Y a n g q u a n m i n i n g a r e a . T h e d e s i g n e d o r t h o g o n a l e x p e r im e n t n e e d s 2 7 n u m e r - i e a l s i m u l a t i o n s i n e l u d i n g 13 f a e t o r s w i t h 3 l e v e l s f o r e a e h o n e . A e e o r di n g t o t h e s u p p o r t i n g p a r a m e t e r s , t u n n e l s t a b ili z a t i o n a n d d e f o r m a t i o n i n t h e e o n d i t i o n o f d i ff e r e n t s t r e s s e s a n d s u P p o r t i n g p a r a m e t e r s w e r e a n a l y z e d . S o m e e r i t e r i a o f t u n n e l s t a b i li z a t i o n a n d d e f o mr a t i o n t o d e t e r m i n e a e o r r e s p o n d i n g l o e a l o p t im i z a - t i o n s e h e m e w e r e e om P u t e d . B a s e d o n e o n s i d e r a t i o n o f t h e s u p p o r t i n g e o s t a n d d if fi e u l t y o f e o n s t r u e t i o n e o m p r e h e n s i v e l y , a n o P t i m a l s u p p o r t i n g s e h e m e f o r t h e s e e o n d a r y d y n a m i e p r e s s u r e t u n n e l w a s d e d u e e d b y t h e a s s o e i a t e d a n a l y s i s o f t h e g r e y t h e o r y . T h e r e s e a r e h r e s u l t s w e r e P u t i n t o u s e i n Y a n g q u a n m i n i n g a r e a a n d g o t t h e s a t i s f i e d s u P P o r t e f f e e t . K E Y WO R D S e o a l m i n e t u n n e l ; l a n e w a y s u P P o r t ; p r e 一 s t r e s s e d a n e h o r ; o P t im i z a t i o n d e s i g n