回采巷道錨網索支護設計決策係統的應用與研究

山東省蘭河口礦業有限責任公司
禹申友 李守剛 侯民川 趙永根

摘要本文介紹錨網索支護 設計決策支持係統軟件，在三河口礦3上煤層回采巷道支護 設計的應用方法和應用效果，該軟件有效地優化了我礦的巷道支護密度，取得了較好的經濟效益。
關鍵詞回采巷道 錨網索 設計係統 應用
1、前言
錨杆支護作為一種新的巷道支護形式，與傳統支護方式相比，在改善支護效果、降低支護成本、加快成巷速度、減輕勞動強度、提高巷道斷麵利用率、簡化回采麵端頭區維護工藝等方麵的優越性十分突出。因而受到了世界主要產煤國家的普遍重視，代表了 煤礦巷道支護技術的發展方向。
目前，三河口礦在回采巷道支護中，普遍采用了“錨網索”聯合支護形式。雖然取得了較為顯著的經濟效益和 安全效果，但是，長期以來，錨網索支護參數一直以周邊鄰近礦區的經驗為主，沒有針對礦的具體地質條件和開采條件進行科學合理的錨網索支護 設計。因此，帶有較大的盲目性，導致支護設計參數缺乏科學依據，給礦井的 安全生產帶來了隱患。為了解決上述何題，針對的主采煤層
——3上煤層的地質條件和目前巷道支護狀，能夠通過計算機可視化手段，建立一套錨網索支護的力學模型，決定開發《3上煤層回采巷道錨網索支護設計係統》，為回采巷道支護設計提供依據。
2、3上煤層回采巷道支護現狀
3上煤層回采巷道目前普遍采用矩形斷麵，巷道淨高度一般為2.5m,巷道淨寬度一般為3.2-3.5m。采用錨網帶、錨索聯合支護。頂板選用Ф18mm的螺紋樹脂錨杆，錨杆長度1. 8m。錨杆間排距為800mm ×800mm（700mm×800mm)，排距0. 8m（0. 7m），每排錨杆的錨杆數為5根，兩肩窩處錨杆的安裝角度為70º，錨杆間距為0.8m。（見圖1）

金屬網采用10#鐵絲編製成菱形網，網格為30mm×30mm。為了加強頂板支護強度，每隔2. 4m安裝錨索2根。錨索長度5m，直徑15.24mm，由低鬆弛預應力鋼絞線絞合而成，與W鋼帶配合使用。W鋼帶型號為WX180/3. 0（輔助順槽），WX180/3.2（運輸順槽）。錨索孔間距為1200mm。
兩幫采用Ф18mm的螺紋樹脂錨杆，錨杆長度1. 6m，每排2根、3根間隔布置。每隔1600mm加設一根長2000mm的鋼筋拉筋，拉筋為16＃鋼筋，雙股，用同型號鋼筋焊接，與錨杆聯合使用。在順槽的回采側，為了便於回采，有時也采用水泥錨固的竹錨杆。
3、3上煤層回采巷道支護設計決策模型
支護參數設計是巷道支護設計實現定量決策的關鍵所在。當支護型式確定以後，參數設計正確與否，直接影響到支護效果和經濟效益。當支護參數所提供的支護強度不夠，即使支護型式是合理的，也可能控製不住巷道圍岩的嚴重變形和破壞，最終導致巷道不得不翻修，影響正常生產和經濟效益；當支護參數設計得過於保守，雖然能保證巷道在服務期間的穩定狀況，但支護成本必然偏高。因此，科學地尋找支護參數設計在 安全和經濟這兩方麵之間的最佳點，對 安全生產和經濟效益的意義是顯而易見的。
本課題與山東 科技大學合作，根據“以岩層運動為中心的礦壓理論”的最新研究成果，首先建立起采場結構力學模型，為進一步計算出已采工作麵周圍煤體上的支承壓力分布規律，確定出內應力場的範圍，從根本上解決沿空順槽的煤柱尺寸問題奠定基礎。
以采場支承壓力結構力學模型和錨網索支護的理論研究成果為依據，結合三河口礦十幾年來的工程實踐，參考臨近礦區的開采經驗，建立3上煤層回采巷道支護設計決策模型。
3. 1沿空順槽煤柱尺寸計算模型（模型1）
3.1.1模型決策目標
該模型決策目標是沿空順槽煤柱尺寸S
3.1.2輸入參數
相鄰工作麵長度L;
相鄰工作麵老頂岩梁初次來壓步距C0；
相鄰工作麵超前支承壓力高峰位置距煤壁的距離S3；
相鄰工作麵老頂岩梁總厚度M;
相鄰工作麵支承壓力集中係數K;
采深H。
3.1.3 模型公式：

3.1.4應用舉例
由於3上煤層今後均采用放頂煤技術進行回采，主要礦壓運動參數尚沒有觀測數據，因此采用《頂板控製設計專家係統》進行了預測。
3上煤層其他相關參數如下：
工作麵長度：70～150m;
支承壓力高峰位置距煤壁的距離S3=20m;
工作麵支承壓力集中係數取K=2.6;
采深H=350-600m
將上述參數代入模型中，計算出3上煤層采空區周圍的內應力場範圍。
可見，在工作麵長度為70-150m的範圍內，采深為350-600m左右時，內應力場範圍一般為6. 3-9. 3m。考慮到的順槽寬度一般為3-4m,因此，為了把順槽布置在內應力區，煤柱尺寸應該為：S=（6.3-9.3）－（3-4）=3-6m如圖2所示。

3. 2回采巷道錨杆支護參數決策模型（模型2）
由於3上煤層采用放頂煤技術開采，．順槽沿著煤層底板布置，巷道頂板為煤層，在巷道高度為2.5m的情況下，頂煤厚度大約為2.5m。由於頂煤較厚，其冒落形狀為拱形，故可按照普氏免壓拱理論進行錨杆支護參數設計。
3. 3錨索支護參數決策模型（模型3）
錨索的長度由3部分組成：頂煤厚度、砂質泥岩厚度和深入到白灰色細砂岩中的厚度。因此，錨索的基本長度為：
L錨索＝頂煤厚度＋砂質泥岩厚度＋深入到白灰色細砂岩中的厚度
4、3上煤層回采巷道錨網索支護設計決策支持係統
DSS實質上是在 管理信息係統和運籌學的基礎上發展起來的。即DSS的出現，它不同於MIS數據處理，也不同於模型的數值計算，而是它們的有機集成。它既具有數據處理功能又具有數值計算功能。助決策有幾種方式：（1）以數據形式輔助決策；（2）以模型和方法的形式輔助決策；（3）以多模型組合形式輔助決策。
決策支持係統即人機交互係統（對話部件）、模型庫係統（模型部件）、數據庫係統（數據部件）。
決策支持係統的結構如圖3。

決策支持係統是三個部件的有機結合，即對話部件（人機交互係統）、數據部件（數據庫 管理係統和數據庫）、模型部件（模型庫 管理係統和模型庫）的有機結合。
人機對話部件包括如下幾方麵的功能：①提供豐富多彩的顯示和對話形式；②輸入輸出轉換；③控製決策支持的有效運行。
數據部件的集成語言由所編製的DSS控製程序來完成。數據部件包括數據庫和數據庫 管理係統。
模型部件由模型庫和模型庫管理係統組成。包括：①模型的表示形式：②模型的動態形式；③模型庫管理係統；④模型庫管理係統的特定功能等。
5、3上煤層回采巷道支護設計決策支持係統的實現
在前述研究工作的基礎上，開發了《3上煤層回采巷道錨網索支護設計決策支持係統》，係統主界麵如圖4,圖5,圖6,圖7所示。然後係統彈出數據編輯窗口，如圖5所示。以後可以在此界麵中輸入與巷道相關的數據。

6、結語
回采巷道錨網索支護設計決策係統在三河口礦已得到成功應用，是科學理論指導生產實踐的具體體顯。經過巷道支護優化設計為科學管理頂板，正確選擇支護參數、合理確定支護強度，提供了科學的依據，該係統的應用不僅取得安全生產，取得了較好的社會效益，而且節約材料消耗，減少了工人的勞動量，提高了勞動效率；每百m巷道節約純材料費用10358元。目前該係統還能根據特殊的地質情況，采取相應的支護設計。