基于灰色理论的巷道安全性评估及控制研究.pdf

论文题目 基于灰色理论的巷道安全性评估 及控制研究 作者姓名割焦 专业名称塞全互翟 指导教师玺德蕴 副指导老师韭亡塞 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 职称 一～一一 三 S T U D Yo NR o A D Ⅵt A YS A F E T YA S S E S S M E N TB A S E Do N G R E YT H E o R YA N DT H EC o N T R A L AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y L i u Z h e n S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rZ o u D e y u n S e n i o rE n g i n e e r Z h a n gG u a n g w e n C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机 关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I O N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r do f M a s t e ro f P h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w n w o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 巷道安全是煤矿安全系统的重要组成部分，在巷道掘进、维护及回采过程中经常出 现顶板离层冒落等安全事故，极易造成人员伤亡，为了预测防止巷道围岩片冒、支护失 效和整体失稳，需要定量的反映巷道安全性，从而能较准确地选择合理的支护方案和支 护参数。 本课题正是针对这种情况而提出，课题选取滕南煤田蒋庄煤矿多条巷道为样本，在 对巷道安全性影响因素分析的基础上，运用层次分析法和灰色聚类分析法两种分析方 法，对数据进行加工，同时把巷道的安全性影响因素进行定量化，分析并最终确定各因 素的权重和巷道的安全等级，提供全面可靠的巷道支护设计依据。再依据理论计算对选 取蒋庄煤矿代表性巷道3 。11 0 5 工作面顺槽进行锚杆支护设计，选定三种支护初始设计 方案，然后运用F L A C 3 D 软件对三种支护方案进行数值模拟，依据数值模拟的数据结果 选择最优的支护方案。最后通过监测掘进期间的巷道矿压，包括锚杆的受力监测以及巷 道顶底板和两帮的离层、位移变化监测。准确掌握在巷道掘进期间围岩结构的变化规律， 并以此作为评价巷道安全性的依据。 合理的巷道支护设计，既可以提高巷道的的稳定性和围岩强度，又保证了煤矿的安 全生产和经济效益，具有科学性和实际应用价值，本论文的结论和设计方法为蒋庄煤矿 以及滕南煤田各煤矿的巷道支护提供了可靠的参考依据，实现了巷道安全性评估和锚杆 支护设计的科学化和规范化，从而维护了巷道的稳定性和安全性。 关键词巷道安全性，层次分析法，灰色聚类分析法，数值模拟，锚杆支护 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T R o a d w a ys a f e t y i sa ni m p o r t a n tp a r to f r o a d w a ys a f e t ys y s t e m ，i nt h ep r o c e s so f r o a d w a yd r i v a g e ，m a i n t e n a n c ea n dr e c o v e r y ，i to f t e na p p e a rs u c ha sr o o fa b s c i s s i o nl a y e r c a v i n gi n s t a b i l i t yp h e n o m e n o n ，a n de a s i l y c a u s e sc a s u a l t i e sa c c i d e n t ．I no r d e rt op r e d i c t r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks l i c e t op r e v e n tr i s k ，s u p p o r t i n go fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k f a i l u r ea n dt h eo v e r a l lb u c k l i n g ，w en e e dt oq u a n t i t a t i v e l yr e f l e c tt h er o a d w a ys a f e t y , t o a c c u r a t e l ys e l e c tr e a s o n a b l es u p p o r t i n gs c h e m e sa n ds u p p o r t i n gp a r a m e t e r s ． T h i st o p i ci sa i m e da tt h i ss i t u a t i o n ．T o p i cs e l e c t sJ i a n g Z h u a n gc o a lm i n er o a d w a ya s s a m p l e s ，a n do nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h es a f e t yo fr o a d w a y , u s i n g h i e r a r c h ya n a l y s i sa n dg r e yc l u s t e r i n ga n a l y s i s ，t oc a r r yo nt h ed a t ap r o c e s s i n g ，a n da tt h es a m e t i m et oq u a n t i f yt h er o a d w a ys a f e t yi n f l u e n c ef a c t o r s ，a n a l y s i sa n df i n a l l yt od e t e r m i n et h e w e i g h to fe a c hf a c t o ra n dt h es e c u r i t yl e v e lo fr o a d w a y ，t op r o v i d ec o m p r e h e n s i v ea n d r e l i a b l eb a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fr o a d w a ys u p p o r td e s i g n ．A n dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no fJ i a n g Z h u a n gc o a lr o a d w a yb o l t i n gd e s i g n ，p r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n i n gt h r e e k i n d so fs u p p o as c h e m e ．o nt h i s b a s i s ，u s i n gt h eF L A C 3 Dt om a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s c h e m eo ft h r e ek i n d so fs u p p o r t ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h e r e a s o n a b l es u p p o r t p a r a m e t e r s a n ds c h e m e ．F i n a l l y ，d u r i n gt h ee x c a v a t i o no ft u n n e lr o c kp r e s s u r et e s t i n g ，i n c l u d i n gd e t e c t i o n a n dr o o fa n df l o o ro f r o a d w a ys t r e s so f t h ea n c h o rr o da n d t w od i s p l a c e m e n tc h a n g ed e t e c t i o n M a s t e r i n gt h ec h a n g el a wo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kd u r i n ge x c a v a t i o n ，a n dt a k ei ta sa r o a d w a ys u p p o ad e s i g nb a s i so ft h es a f e t ye v a l u a t i o n R e a s o n a b l er o a d w a ys u p p o r td e s i g n ，c a i li m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h er o a d w a ya n d s u r r o u n d i n gr o c ks t r e n g t h ，a n de n s u r et h es a f e t yo fc o a lm i n ep r o d u c t i o n ，h a ss c i e n t i f i ca n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e ，t h ec o n c l u s i o n o ft h i sp a p e ra n dt h ed e s i g nm e t h o df o r J i a n g Z h u a n gc o a lm i n ea n dT e n g N a nc o a l f i e l dc o a lm i n er o a d w a ys u p p o r tp r o v i d e sar e l i a b l e r e f e r e n c eb a s i s ，i m p l e m e n tt h es a f e t ya s s e s s m e n to fr o a d w a ya n db o l ts u p p o r td e s i g no f s c i e n t i z a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n ，S Oa st om a i n t a i nt h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h et u n n e l K e yw o r d s R o a d w a ys a f e t y ，A n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，G r e yc l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o d ， N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，B o l ts u p p o n 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 lj l j j f j i 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的提出及选题的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 巷道安全性评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 安全评价概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 系统评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 基于灰色聚类_ 层次分析法的巷道安全性评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 3 ．1 巷道安全性层次分析法评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 巷道安全性灰色聚类法评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 巷道安全控制技术体系及数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 巷道安全控制技术体系建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 3 支护方案的数值模拟及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 工程实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 巷道观测内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3 巷道掘进期间矿压分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．2 仓0 新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 山东科技大学硕士学位论文目录 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯贷 攻读硕士学位期间学术成绩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 7 2 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1T h eP r o p o s e dT o p i ca n dR e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2T h eR e s e a r c hS t a t u sa tH o m ea n dA b r o a d ．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1 ．3R e s e a r c hC o n t e n t sa n dT e c h n i q u eR o u t e ．．．．．．．．．．．． 2T h eE s t a b l i s h m e n to fS a f e t yE v a l u a t i o nI n d e xS y s t e mo fR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 S a f e t yE v a l u a t i o nO v e r v i e w ．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．2T h eE s t a b l i s h m e n to fE v a l u a t i o nI n d e xS y s t e m ⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．3C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 7 3R o a d w a yS a f e t yA s s e s s m e n tB a s e do nT h eG r e yC l u s t e r i n g - a n a l y t i cH i e r a r c h y P r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 31 R o a d w a yS a f e t yE v a l u a t i o nM o d e lo fA n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e s s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 9 3 ．2R o a d w a yS a f e t yE v a l u a t i o nM o d e lo fG r e yC l u s t e r i n gM e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4R o a d w a yS a f e t yC o n t r o lT e c h n o l o g yS y s t e ma n dT h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o n A n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1T h eE s t a b l i s h m e n to fAR o a d w a ys a f e t yC o n t r o lT e c h n o l o g yS y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2T h eE s t a b l i s h m e n to fT h eM o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．3N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dA n a l y s i so fS u p p o r tS c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯．⋯⋯．．⋯．．⋯．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．5 3 5T h eE n g i n e e r i n gP r a c t i c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 5 ．1P r o j e c tO v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．5 z l 5 ．2R o a d w a yO b s e r v a t i o nC o n t e n t sa n dM e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3T h eM i n eP r e s s u r eA n a l y s i sd u r i n gD r i v a g e ．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．⋯．5 7 5 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6T h eC o n c l u s i o na n dP r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 3 61T h eC o n c l u s i o n．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 A 6 ．2I n n o v a t i o n s 6 ．3 P r o s p e c t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．． C k n O W l e d g e m e n t ⋯⋯’‘’’⋯⋯‘‘。⋯‘‘。。’⋯。⋯’’‘‘。’’’⋯’‘’⋯。‘。⋯⋯⋯’⋯‘‘⋯ ．6 3 ．6 4 6 5 M a i n A c h i c v e m e n tD u r i n gW o r ko nM a s t e rD i s s e r t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 山东科技大学硕士学位论文 目录 M a i nR e f e f e n c eD o c u m e n t s ””⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 2 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．1 课题的提出及选题的意义 煤炭是国民经济发展的基础，是我国经济可持续发展的重要影响因素，也是我国的 主要能源保障。目前，煤炭是我国能源资源的主要来源，随着经济的快速发展，到2 0 2 0 年为止，一次性能源需求量中原煤产量占的比重将达到6 8 ％，以煤为主的能源资源和消 费结构在很长一段时间内不会从根本上改变【t 】。然而我国煤炭资源的现状是煤炭需求量 日益增大，但煤矿地质赋存条件复杂，资源开采过程中会出现很多问题，尤其顶板问题 十分严重。 煤矿井巷工程构成地下采掘活动、运输和通风的主要通道，我国每年平均新掘井巷 工程量达到1 5 0 0 0 多千米，因巷道支护产生的安全事故在煤矿事故的比例居高不下， 2 0 0 1 年以来无论是事故数量和死亡人数都居事故首位，我国煤矿顶板事故占所有事故 的6 0 ．4 4 ％，死亡人数中占3 2 ．8 0 ％，达到1 ．3 1 人／次。根据统计结果，单起煤矿巷道安 全事故没有像水害或瓦斯爆炸造成重大伤亡，所以并没有受到社会各界的普遍关注和重 视[ 2 】。目前巷道安全事故己严重制约着我国煤矿的安全生产和快速发展，我国煤矿安全 仍然面临严峻的挑战。因此，我们需加强对巷道安全的重视，分析巷道安全事故的原因， 总结经验教训，同时采取相应的对策来规避或减少巷道安全风险，预防安全事故。 在煤矿巷道掘进和维护过程中，由于大部分巷道围岩呈现层状结构，节理、裂隙会 比较发育，并且服务期较长，同时受到采动等多种因素影响。随着巷道的深度增加和地 质条件的变化复杂，巷道安全性问题越来越严重和突出，所以进行巷道安全性评估显得 十分必要。本文通过进行巷道的安全性评估，定量地分析巷道的围岩结构复杂性，同时 运用理论定性分析巷道围岩的稳定性，提高支护设计和支护参数的准确性f 3 1 。因此巷道 的安全性评估能确保巷道掘进、维护安全，具有重要的理论和实际应用价值。 巷道的掘进和安全维护离不开合理的支护方式和技术，锚杆支护是我国大多数煤矿 应用最广泛的支护方式，它直接关系到煤矿的安全生产效益。我国的锚杆支护技术快速 发展对我国支护设计技术要求越来越高，很多问题也随之暴露出来。我国大多煤矿复杂 多变的地质赋存条件影响着巷道围岩的稳定性，对于一些特定困难条件下的巷道支护缺 乏深入研究，比如断层褶皱围岩巷道、极易破碎围岩巷道等，还需要进一步探索。因此， 些垄型垫奎兰堡主兰垡笙茎．． 堕丝 要加速对巷道支护技术的探索研究，引进国外先进的技术经验，结合煤矿的实际情况， 加大巷道支护技术的推广和应用，保证巷道的掘进安全，给煤炭工业带来最优的安全经 济效益。 1 ．2 ．1 巷道安全性评估方法发展及现状 1 ．2 ．1 ．1 巷道安全性评估的发展 巷道安全性评估是综合评价巷道稳定性的一种方法，是巷道支护设计的关键，也是 安全管理的重要保证，也为衡量经济安全效益提供准确的依据。巷道安全性评估的发展， 经历了以下四个阶段 1 经验判定阶段 在巷道安全性评估发展的初始阶段，由于对岩体的破坏机理还处于探索阶段，安全 评价技术还不够成熟，缺乏科学的判断，只依赖于个人的实践经验，巷道安全性的定性 判断指标也很单一。 2 专家评分阶段 到2 0 世纪末期，技术人员加大了巷道的破坏机理的研究深度，巷道安全性的影响 因素从单一因素发展到多因素指标，同时结合巷道稳定性的定量评价和定性指标，在此 基础上采取专家评分的方式进行安全评估。 3 数学分析阶段 近2 0 年来，采取定量与定性分析相结合的方法来评价巷道安全性因素指标，对巷 道的破坏集合和复杂性有了更加深入的认识。在数学方面，出现了神经元法、因子分析 法、灰色理论等数学方法，巷道安全性的评估开始结合这些数学工具。 4 智能分类阶段 科学技术的不断进步和和煤炭需求量的不断增加对巷道安全性评价的研究提出了 新的要求，必须采用更科学的方法手段进行安全评估。进入2 1 世纪，人工智能技术得 到长足的发展和进步，与此同时，现代的控制理论、系统工程、智能数学等学科的发展 为各个行业的安全性评估提供了新的方式和途径。巷道安全性智能分类更多地采取专辑 系统、模糊神经网络等手段，进行定性定量的运算分析巷道安全性的影响因素指标，得 出更为直观的安全评价等级，加强巷道安全性评估的实用化、科学化。 些奎型垫查兰堡主兰竺笙奎 一一 丝笙 1 ．2 ．1 ．2 巷道安全性评估的现状 1 锚喷支护巷道安全性分类方法 锚喷支护巷道安全性分类方法，是整合了岩石的单向抗压强度、岩体类型、岩体结 构、岩体完整性系数 K 、以及地应力状况等多种指标进行分类的方法。 地应力因素由岩体强度与应力之比s m 反映如下式。 q k 垡 1 ．1 “ 仉 式中B 一岩石单向抗压强度； 正一垂直巷道轴线平面上较大的主应力； 这种分类方法比较全面系统的考虑了巷道安全性的多种影响因素评价指标，能获得 比较详细准确的围岩安全性影响数据，具有很高的参考价值 4 】。但是该种分类也存在弊 端，它的准确性，易受构造应力显著程度、多指标分类不一致等因素的影响。 2 巷道围岩变形量分类方法 巷道围岩变形量分类方法的主要依据是围岩变形量的大小。围岩变形有两大主要影 响因素一是地质力学因素即岩石物理力学特性、岩体结构构成等；另一类是工程因素 即巷道的施工方法、支护形式和参数等。巷道安全性按照围岩变形量的大小来分类的方 法，使用起来简洁方便，便于工程应用【5 1 。但仍存在一些诸如难以观测围岩的大变形量， 岩体结构受不可抗力因素的影响而发生变化等实际问题。 3 煤巷安全极限平衡区分类方法 极限平衡区分类方法的两个基本指标是极限平衡区深入巷道围岩的深度和巷道周 边位移大小。在进行巷道安全性分类时，用主要指标极限平衡区深入巷道围岩的深度划 分巷道安全性等级，并进行锚杆支护设计，用辅助指标巷道周边位移大小和实测结果比 较，得到测量数据差距，反馈差异，找到初始设计中可能存在的问题，修改并完善支护 设计。 4 岩石结构权值 R S R 巷道安全性分类法 岩石结构权值分类法主要利用地质条件和地质结构的各项参数两大因素，借助岩石 结构权值这一指标，进行巷道安全性分类。地质参数包括岩石类型，岩石节理形态， 岩石节理方向 倾向与走向 ，不连续面类型，岩石力学特性；结构参数包括巷道断 面尺寸、巷道断面形状、掘进方式。R S R 是累引‘各个参数的数值，但各种参数错综复 坐查型垫奎堂堕主兰竺丝壅 竺笙 杂，有些较难获取。分配权值带有主观性，实际应用困难，而且忽略了围岩应力的影响， 适用条件很受限制。 1 ．2 ．2 巷道支护设计方法现状 1 ．2 ．2 ．1 国内研究现状 木支护、型钢支护到锚杆支护方式是我国煤矿巷道支护技术发展的三大阶段。多年 来的现场实践证明，锚杆支护更适合我国煤炭经济可持续发展的需要，具有更高的实用 价值。目前，我国已经开始广泛推广和应用锚杆支护技术，实现了煤矿工业生产的高质 量和高效益，成为我国矿井巷道技术未来发展的风向标【6 1 。 从2 0 世纪6 0 年代我国就开始采用巷道锚杆支护技术，但当时的理论和实践技术不 够成熟，发展较缓慢。进入2 l 世纪，煤矿的开采强度越来越大，当前的巷道支护技术 已经不能满足煤矿安全生产的需求。“八五”“九五”计划之后，我国引进国外先进技 术，并将其与我国的巷道支护设计技术相结合，开发出了更适合我国煤矿巷道要求的先 进支护技术，如高预应力、高强力锚杆与锚索支护等，实现了我国巷道支护技术的质的 飞跃[ 7 】。同时，引进并使用先进的支护设计材料，加入“三高一低”的现代新型设计理 念，实现了锚杆支护设计全方位的科学化，引领我国巷道支护设计的新方向【8 】。各种锚 掘一体化技术的出现和推广应用，也提高了巷道掘进的施工效率和质量，保障了巷道的 安全有效生产。 1 ．2 ．2 ．2 国外研究现状 早在1 0 0 多年前，锚杆支护技术就已经开始被国外的一些矿山所使用，如美国2 0 世纪初开始使用木锚杆，英国使用金属锚杆。自2 0 世纪4 0 年代末以后，锚杆支护技术 广泛应用于煤矿、隧道等地下岩土工程，成为了一种极具发展前景的支护方式。 1 2 0 世纪5 0 ～6 0 年代，主要使用的是机械端部锚部锚杆，但这类锚杆的固力低、 支护刚度小、可靠性较差。 2 2 0 世纪6 0 ～7 0 年代，树脂锚杆技术研制成功并被广泛应用。由于其提高了锚 杆技术支护刚度、可靠性，世界主要采煤国家开始广泛使用树脂锚杆技术。 3 2 0 世纪7 0 ～8 0 年代，研制并使用管缝式锚杆、胀管式锚杆等全长锚固锚杆技 术，但由于其在井下容易遭受腐蚀，锚杆力易受钢材质量、钻孔技术等因素影响，在井 下的适用条件也受到限制。 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 2 0 世纪8 0 ～9 0 年代，针对不同的需求出现了更加多样化的锚杆支护技术，混 合锚固锚杆、可拉伸锚杆、锚注锚杆等锚杆技术开始出现并被推广。 5 2 0 世纪9 0 年代以后，高强度的树脂锚固锚杆研制成功，它凭借施工工艺简 便、锚固效果好的优点，逐步凌驾于其它支护技术，引领了支护设计的新时代，实现了 巷道支护技术的质的飞跃【9 】。 总结国外锚杆支护技术的发展特点，主要有以下几点 在锚杆支护设计前，充分了解支护的对象，准确测量围岩强度、地质力学参数，分 析巷道地质构造，使支护的设计更符合实际需求。 国外巷道支护的设计，更加注重结合煤矿自身的围岩地质力学的特点，观测巷道施 工并分析反馈信息，同时修改支护步骤，保障支护设计的适用性。引进更先进的锚杆支 护技术和施工机械设备，实现掘锚设计一体化、科学化。 在施工过程管理和施工安全方面十分严格，同时引进更加科学的施工技术和安全管 理方法，实现了锚杆支护技术的规范化、正规化[ 1 0 】。 1 。2 。2 。3 巷道支护设计方法现状 目前的锚杆支护设计方法可以分为四大类第一类是工程类别法，此类方法在我国 巷道支护设计中的应用比较成熟，主要有以回采巷道围岩稳定性分类和巷道围岩松动圈 分类为基础的设计方法等；第二类是理论计算法第三类是计算机模拟法，主要是借助 计算机来模拟统计地应力测试数据，初步设计锚杆支护，然后再根据现场反馈的观测结 果修正完善初始设计；第四类是监测法【1 1 】。 1 常规锚杆支护设计 目前中国的地下工程锚杆支护方法主要是工程类别法和经验公式计算法。 经验公式计算法如下式 L N 0 ．5 W ／1 0 1 ．2 式中∥一巷道或硐室跨度，m ； 三一锚杆总长度，m ； Ⅳ一围岩影响系数。 2 工程类别法 工程类比法有直接类比法和间接类比法两种。直接类比法一般是工程师根据自己的 施工经验和分析判断能力，参考已开掘巷道工程的地质条件，选择待开掘巷道工程的锚 些查型垫查兰堡主堂竺笙奎．些笙 杆支护形式和参数。间接类比法一般是参照己开掘的围岩分类和锚喷支护设计参数来推 断未开掘的巷道锚喷支护类型和参数。中国部分矿区根据自己长期巷道支护技术实践的 经验，并结合国外的先进经验，提出了更适合自己矿区的巷道锚杆支护方式，提高了巷 道支护技术的施工质量和效率。 极限平衡法是以弹塑性理论和悬吊理论为理论依据。同时借助巷道围岩的应力对围 岩的安全系数的影响这一指标来指导巷道支护设计。如果巷道围岩的集中内应力低于煤 岩体强度，此时煤岩体仍处于弹性状态；如果煤岩体的强度小于围岩局部地区的应力时， 巷道周围围岩的物性状态就会改变，并伴随出现一定区域的极限平衡区，同时会出现围 岩向围岩深部滑动[ 1 2 】。 因此，巷道支护或加固，只需要考虑已处于极限平衡状态下的巷道煤岩体，并以极 限平衡区深入巷道围岩的深度v 作为主要指标来划分巷道安全性等级。 通常情况下煤矿巷道锚杆支护设计