基于可靠度分析方法的巷道支護參數優選研究

羅云龍

(貴州省地礦局104地質大隊，貴州 都勻市 558000)

0 引 言

地下開采中，巷道穩定性是關系到礦山能否進行安全生產的關鍵性問題[1-2]。但是，在實際礦山工程中，巷道穩定性缺乏公認的安全判據，巷道開挖和支護基本取決于施工者的經驗，導致安全可靠度達不到要求，巷道及其支護結構發生破壞的案例時有發生[3]。同時，雖然可靠度分析方法在類似工程如橋梁、公路、鐵路工程以及礦山爆破工程中均得到了廣泛應用，較為成功地保障了相關工程的安全性[4-8]，但可靠度分析方法在礦山巷道穩定性分析和支護參數設計方面的研究還很少。因此，如能將可靠度分析應用到礦山巷道支護設計中，勢必將改善礦山巷道的安全穩定性。

基于此，本文嘗試引入可靠度分析方法，以貴州某磷礦為對象，對其破碎巖體巷道的錨噴支護參數進行了優選設計，以期得到更合理的支護參數，提高礦山生產的安全性。

1 工程概況

某磷礦位于貴州省黔南州，工程地質條件復雜到中等，其圍巖按照結構特征及力學強度可劃分為硬質巖類工程地質巖組、軟質巖類工程地質巖組和松散巖類工程地質巖組。

在工程布置中發現，巷道不能避開上述3組巖組，因此只能根據不同的圍巖選擇不同的巷道支護方法：硬質巖類工程地質巖組巷道可暫時不用支護，軟質巖類工程地質巖組巷道(以下簡稱為軟質巖巷道)和松散巖類工程地質巖組(以下簡稱為松散巖巷道)均采用錨噴支護。因此，本文支護參數優化主要針對軟質巖巷道和松散巖巷道，其相關參數如表1所示。

表1 巷道圍巖參數

2 巷道支護結構可靠度分析方法

根據相關研究[9-10]，巷道支護結構的極限應力狀態方程可如式(1)所示：

qia=fyAs/et

(2)

θ1=θ0+cotαln(H+r0)/r0

(3)

式中，Asv為巷道每1 m內橫向加固鋼筋網的截面積；fyv為鋼筋抗剪強度；b為破裂楔體高度；α為滑移面與最大主應力夾角；fv為噴射混凝土層的抗剪強度；h為噴射混凝土層的厚度；θ0為破裂起始角；σR和τR分別為考慮加固圍巖滑移面上的正應力和剪應力；As為錨桿橫截面積；e、t為錨桿布置參數；H為巖石承載圈厚度；r0為巷道半徑；R0為塑性區半徑；c、φ為圍巖的粘聚力和內摩擦角。

同時，由于在礦山巷道方面還沒有公認的可靠度計算方法，因此引入在交通領域隧道常用的巷道支護結構可靠度方法，即JC法作為本文的計算方法。

根據式(1)與JC法相結合，可求得可靠度如式(4)～式(6)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

得到上述可靠度計算公式之后，參照JC法基本原理，實際可靠度可依以下步驟計算：

(1) 根據巷道圍巖及支護結構特點，選定初始的演算點P*，獲取初始的演算值；

(2) 根據式(5)和式(6)，計算cosθS，cosθR；

(3) 根據式(1)和式(4)，計算可靠度指標；

(4) 根據已獲取的可靠度指標，對初始設計參數的可靠度進行判斷，并選取新的演算點；

(5) 若βi+1/βi≤0.01，則計算停止，所求之β即為要求的可靠度指標；反之，則按上述步驟繼續計算。

3 巷道支護參數優選

根據表1和式(1)～式(7)，采用MATLAB軟件分別計算軟質巖巷道和松散巖巷道支護參數和可靠度指標。

3.1 軟質巖巷道支護參數優選

對軟質巖巷道，不同混凝土襯砌厚度和不同錨桿間距下的可靠度變化曲線分別如圖1和圖2所示。

由圖1可知，襯砌厚度越大，巷道的穩定性越好，其直接表現就是巷道穩定可靠度及其可靠度指標均增大。當混凝土襯砌厚度由40 mm增至70 mm時，可靠度由0.9265提高到0.9803，但直到80 mm時才達到0.9918，此后趨于平緩。可靠度指標也有類似規律，可見襯砌厚度確定為80 mm較為合適，可靠度滿足礦山巷道安全要求，此后再單純提高襯砌厚度對可靠度指標貢獻已較為有限。

圖1 軟質巖巷道襯砌厚度可靠度變化曲線

圖2 軟質巖巷道錨桿間距可靠度變化曲線

由圖2可知，錨桿間距越大，巷道的穩定性越差，巷道穩定可靠度及其可靠度指標均減小。當錨桿間距由600 mm增至900 mm時，可靠度由0.9984減小到0.992，但到1000 mm時就減小到0.9719，已不能夠保證巷道足夠安全。可靠度指標也有類似規律，可見錨桿間距確定為900 mm較為合適，可靠度滿足礦山巷道安全要求。

因此，對軟質巖巷道，經優選之后推薦的支護參數為：混凝土襯砌厚度為80 mm，錨桿間距為900 mm。

3.2 松散巖巷道支護參數優選

對松散巖巷道，不同混凝土襯砌厚度和不同錨桿間距下的可靠度變化曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 松散巖巷道襯砌厚度可靠度變化曲線

圖4 松散巖巷道錨桿間距可靠度變化曲線

由圖3和圖4可知，松散巖巷道的穩定性較差，需要更厚的襯砌和更小的錨桿間距。

由圖3可知，與軟質巖巷道類似，襯砌厚度越大，巷道的穩定性越好。當襯砌厚度由60 mm增至120 mm時，可靠度由0.9345提高到0.9897，但直到140 mm時才達到0.9956，此后趨于平緩。可靠度指標也有類似規律。為安全起見，襯砌厚度確定為140 mm較為合適，可靠度滿足礦山巷道安全要求。

由圖4可知，錨桿間距越大，巷道的穩定性越差。當錨桿間距由400 mm增至600 mm時，可靠度由0.9926減小到0.9908，但到700 mm時就減小到0.9823，已不能夠保證巷道足夠安全。可靠度指標也有類似規律，可見錨桿間距確定為600 mm較為合適，可靠度滿足礦山巷道安全要求。

因此，松散巖巷道經優選之后推薦的支護參數為：混凝土襯砌厚度為140 mm，錨桿間距為600 mm。

4 結 論

(1) 針對貴州某地下磷礦的工程地質條件，引入可靠度分析方法，建立了礦山巷道錨噴支護結構的可靠度計算公式和流程。

(2) 對該磷礦軟質巖巷道和松散巖巷道的支護參數進行了可靠度計算，分析不同混凝土襯砌厚度和錨桿間距下的可靠度變化規律，獲取了支護參數的推薦參數，其中軟質巖巷道：混凝土襯砌厚度為80 mm，錨桿間距為900 mm；松散巖巷道：混凝土襯砌厚度為140 mm，錨桿間距為600 mm。