矿井巷道围岩支护系统的特点研究

张凤清

【摘 要】系统论认为，系统是物质存在的形式，世界上没有离开系统的物质。系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的诸要素所构成的—个整体，它一般存在于环境包围之中，环境是系统外界事物及诸要素的集合。将系统论原理用于巷道支护，进行分析研究，可以得出许多有意义的结论，指导设计施工，并从更高的水平认识巷道支护。

【关键词】巷道；围岩支护；特点研究

1 巷道支护系统功能及构成要素分析

输入、转换机构和输出是构成系统的三要素。用系统论来考察巷道支护，发现也确实存在这样一个系统，即由围岩、支护和环境三个子系统构成的围岩一支护系统，它来源于人类改造自然的需要，具体功能是：承受构造应力、自重应力、采动应力、爆破震动等各种载荷及地下水、空气等的作用，保持巷道在服务年限内的安全稳定，以满足通风、行人、运输、排水、铺设管线等要求。

围岩是指开挖后发生扰动、应力状态发生较大变化的巷道周围一定范围的岩体，—般是巷道半径的3—5倍，根据所处的地质条件，可以是一种或几种岩层。

支护是指为了加固、支撑围岩而采取的某种或某几种支护方式，主要包括砌碹、各种支架、锚杆、喷射混凝：上、铺网等支护或注浆加固。

环境包括自然环境、工程技术环境和社会经济环境。自然环境主要包括围岩条件、巷道深度、地质和水文地质条件、与其他巷道或采场关系等因素；工程技术因素包括巷道形状和尺寸、设计水平、施上工艺、施工机械及施工队伍水严等；社会经济条件包括国家政策、法令、法规、规范、经济状况（投资）等。

该系统的输入主要是地应力、外界震动等各种载荷以及地下水、空气的作用等；输出包括围岩和支护的变形、破坏、风化、锈蚀、抵抗地应力、防渗漏水、保持巷道稳定的功能等。

2 围岩一支护系统的特点

2.1 围岩一支护系统是复合系统

因为围岩是天然物，支护是人造物，环境子系统有些也是人工的。

2.2 围岩一支护系统是开放子系统

该子系统存在于自然、工程技术和社会经济环境子系统之中，互相进行物质、能量及信息的交换，所以是开放系统。

2.3 围岩一支护系统是动态系统

巷道开挖后，岩体就失去了原来的应力平衡，围岩立即向巷道内发生变形。进行支护后，就改变了围岩的变形速度，若支护强度适宜.支护时间恰当，与围岩变形协调，就控制了变形，使整个系统趋于稳定平衡；若支护强度不够或支护时间过早或过晚，控制不了变形，导致变形加速，围岩失稳。而且，放炮、地震、行车等有害震动以及水、空气的作用都会影响围岩—支护子系统状态。因此，围岩—支护子系统随时间不断变化，是动态系统。

2.4 围岩—支护系统是灰色系统

岩体的形成经历了漫长的过程，由于矿物构成、结构面产状和发育程度、地质构造、含水量等因素影响，各处千差万别，无法准确预知其变形规律；而且，许多支护形式的机理还没有完全搞清；另外，地层各处应力状态千差万别，也不能完全确定。由此可见，该系统及其环境中，既有已知的信息又有未知的信息或非确知信息，所以是灰色系统。

3 系统科学原理的应用

系统科学原理有：整体性原理、相关性原理、结构性原理、动态性原理、反馈原理和最优化原理等。

3.1 整体性和相关性原理

围岩、支护和环境子系统三者之间相互联系、相互作用，形成一个完整系统.共同完成系统功能。在设计、施工和使用各个阶段，都需要统筹考虑各种联系，抓主要矛盾，使围岩一支护系统整体最优。例如，使用锚杆支护时，锚杆要穿透松动区；支护要适应围岩变形特性等。

围岩本身是一个完整的子系统，各部分之间要靠支护作用相互协调，最终形成一均匀承载岩环。围岩是一个整体，任何部分失稳都会影响其他部分的稳定，如在煤巷支护中，顶板往往由于两帮松软煤壁的鼓帮而下沉破坏，对此，关键就是支护两帮煤壁和防止底鼓。

支护也是一个完整的子系统，各种支护方式在时间、空间上要互相配合、相互协调、统筹安排。一般情况下，刚刚开挖的巷道，围岩变形速度很快，这时应施以柔性支护，让围岩先释放应力，等变形速度趋缓，再用较强支护使其达到长期稳定。整个支护可根据围岩变形规律分几次进行。现在，可供选择的支护形式很多，可以根据具体条件，选用最合理、最经济的联合支护形式。

3.2 结构性原理

任何系统都有层次性，围岩一支护系统也不例外，它由若干包含许多要素的子系统构成，而它本身又从属于更大系统。在设计和施工巷道支护时，不但要研究围岩一支护系统本身，而且要从纵向、横向各种层次的系统结构立体地考虑有关各种联系。例如，在分析地应力 时，要考虑本地区地形、地质构造，还要考虑更大范围的构造体系及板块构造。

3.3 动态性原理及反馈原理

围岩一支护系统受各子系统和输入条件的影响，输出随时间是变化的，系统状态可能趋于稳定，也可能趋于失稳，这就需要根据反馈原理，对围岩和支护的变形、受力等进行量测，根据量测结果，及时修改支护方案和支护参数。新奥法的成功就在于它把设计、施工和监测有机地结合起来。

3.4 最优化原理

对于每一给定的围岩和环境条件，都有一种满足要求而成本最低的最佳支护方案，它也许是一种支护形式，也许是几种支护构成的联合支护。每一种支护方案，又有一所需的最小支护量，以及根据围岩一支护变形过程所确定的每种支护最佳施工时机。最优化的任务就是使上述三项都达到最优，使围岩一支护系统处于动态的最佳状态。

[责任编辑：薛俊歌]