D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.12.031 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 基于灰色模糊理论的巷道锚网支护设计与优化 周跃峰)王金安2)胡建军) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国矿业大学能源与安全工程学院，徐州221000 摘要为解决采空区下薄顶煤卷道支护设计中所面临的各种力学问题，通过七因素三水平的正交实验方案，进行了27次数 值模拟实验·按照三个评价标准，分别分析了各关键因素对巷道稳定性的影响，并筛选出相应的最优方案·利用灰色模糊理 论对巷道支护方案进行了综合评价及整体优化设计·研究中考虑了支护费用及施工时间等成本性指标，分析了巷道支护后围 岩的应力变化、位移特征和破坏机理，制定了可行的施工方案.所采用的支护技术在窑街煤电公司天祝矿正式投入使用后，取 得良好的经济效益 关键词巷道：锚网支护；灰色关联：模糊理论 分类号TD322 巷道稳定性受到众多支护因素的影响，不少因 特点，本设计的主要思想是：以控制变形为主，提高 素既难以确定又难以定量分析·影响巷道稳定性的 围岩的整体性和局部抗剪能力，因此，本文提出三 诸多因素构成了一个部分信息已知、部分信息未知 个评价标准：(1)顶底板相对收敛率：(2)两帮相对 或不明确的灰色系统山.系统中的因素不仅具有随 收敛率；(3)巷道表面最大位移.本文研究顶煤厚 机性，而且具有模糊性，无法找到一一对应的特定映 3m时的支护设计，借鉴已有理论分析3]，设计了 像，只能凭经验得到一些定性的认识2).传统的巷 七因素三水平的正交实验，共27套方案，用有限 道稳定性分析方法，如极限平衡法、数值分析法都无 差分程序FLACD进行数值模拟，根据现场地质调 法解决此类问题，本文采用模糊理论结合灰色关联 查和岩石力学实验结果，数值模拟采用的岩体力学 理论分析巷道稳定性的影响因素，针对采空区下薄 参数如表1所示，实验方案和结果由表2给出 顶巷道锚网支护提出了方案优化 对正交实验结果进行极差分析，结果如表3所 示，可以得出以下结论 1 正交实验设计 (1)对于巷道两帮相对收敛率的影响：x5>x7> 针对巷道具有低应力、顶煤破碎、成拱机制弱的 X4>x2>x1>x6>x3. 表1岩体力学参数表 Table 1 Mechanical parameters of rock mass 岩石名称 容重/(kgm3) 弹性模量/MPa 泊松比 抗拉强度/MPa 粘结力/MPa 内摩擦角/（°） 泥岩 2400 1400 0.32 0.50 1.250 28 油页岩 2100 3400 0.26 1.00 1.900 33 粘土岩 2500 4810 0.23 0.85 2.825 37 泥灰岩 2592 4500 0.2 1.00 1.250 36 煤 1330 1000 0.3 0.25 1.000 吗 油页与泥灰岩 2346 3900 0.28 1.00 1.500 35 (②)对于巷道顶底板相对收敛率的影响：x5> (③)对于巷道表面最大位移的影响：x2>x7> x7>x2>x1>x4>x3>x6· x5>x1>x4>x3>x6· 收稿日期：2006-08-28修回日期.2006-11-30 针对不同的评价指标，各个因素的影响程度是 基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(N和 不同的门，按照控制变形的思想，每个评价指标的 20040008025) 最小值对应的方案即为相应的最优方案。两帮收敛 作者简介：周跃锋(1982一)，男，硕士研究生：王金安(1958一)：男， 教授，博士生导师 率、顶底板收敛率、最大位移分别对应的局部优化方基于灰色模糊理论的巷道锚网支护设计与优化 周跃峰1） 王金安1‚2） 胡建军1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 2） 中国矿业大学能源与安全工程学院‚徐州221000 摘 要 为解决采空区下薄顶煤巷道支护设计中所面临的各种力学问题‚通过七因素三水平的正交实验方案‚进行了27次数 值模拟实验．按照三个评价标准‚分别分析了各关键因素对巷道稳定性的影响‚并筛选出相应的最优方案．利用灰色模糊理 论对巷道支护方案进行了综合评价及整体优化设计．研究中考虑了支护费用及施工时间等成本性指标‚分析了巷道支护后围 岩的应力变化、位移特征和破坏机理‚制定了可行的施工方案．所采用的支护技术在窑街煤电公司天祝矿正式投入使用后‚取 得良好的经济效益． 关键词 巷道；锚网支护；灰色关联；模糊理论 分类号 TD322 收稿日期：2006-08-28 修回日期：2006-11-30 基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（No． 20040008025） 作者简介：周跃峰（1982—）‚男‚硕士研究生；王金安（1958—）‚男‚ 教授‚博士生导师 巷道稳定性受到众多支护因素的影响‚不少因 素既难以确定又难以定量分析．影响巷道稳定性的 诸多因素构成了一个部分信息已知、部分信息未知 或不明确的灰色系统［1］．系统中的因素不仅具有随 机性‚而且具有模糊性‚无法找到一一对应的特定映 像‚只能凭经验得到一些定性的认识［2］．传统的巷 道稳定性分析方法‚如极限平衡法、数值分析法都无 法解决此类问题．本文采用模糊理论结合灰色关联 理论分析巷道稳定性的影响因素‚针对采空区下薄 顶巷道锚网支护提出了方案优化． 1 正交实验设计 针对巷道具有低应力、顶煤破碎、成拱机制弱的 特点‚本设计的主要思想是：以控制变形为主‚提高 围岩的整体性和局部抗剪能力．因此‚本文提出三 个评价标准：（1） 顶底板相对收敛率；（2） 两帮相对 收敛率；（3） 巷道表面最大位移．本文研究顶煤厚 3m时的支护设计‚借鉴已有理论分析［3—5］‚设计了 七因素三水平的正交实验［6］‚共27套方案‚用有限 差分程序 FLAC 2D进行数值模拟．根据现场地质调 查和岩石力学实验结果‚数值模拟采用的岩体力学 参数如表1所示‚实验方案和结果由表2给出． 对正交实验结果进行极差分析‚结果如表3所 示．可以得出以下结论． （1） 对于巷道两帮相对收敛率的影响：x5＞x7＞ x4＞ x2＞ x1＞ x6＞ x3． 表1 岩体力学参数表 Table1 Mechanical parameters of rock mass 岩石名称 容重／（kg·m —3） 弹性模量／MPa 泊松比 抗拉强度／MPa 粘结力／MPa 内摩擦角／（°） 泥岩 2400 1400 0∙32 0∙50 1∙250 28 油页岩 2100 3400 0∙26 1∙00 1∙900 33 粘土岩 2500 4810 0∙23 0∙85 2∙825 37 泥灰岩 2592 4500 0∙2 1∙00 1∙250 36 煤 1330 1000 0∙3 0∙25 1∙000 34 油页与泥灰岩 2346 3900 0∙28 1∙00 1∙500 35 （2） 对于巷道顶底板相对收敛率的影响：x5＞ x7＞ x2＞ x1＞ x4＞ x3＞ x6． （3） 对于巷道表面最大位移的影响：x2＞ x7＞ x5＞ x1＞ x4＞ x3＞ x6． 针对不同的评价指标‚各个因素的影响程度是 不同的［7］．按照控制变形的思想‚每个评价指标的 最小值对应的方案即为相应的最优方案．两帮收敛 率、顶底板收敛率、最大位移分别对应的局部优化方 第29卷 第12期 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．12 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．12．031