基于層次分析法的軟巖巷道支護設計研究

李 樣 韓連昌 張廷明

（貴州盤江精煤股份有限公司）

貴州地區煤炭資源的開采逐漸向深部發展，軟巖巷道支護給礦山建設帶來難題。目前，工程設計中對巷道支護的考量主要是基于大量相關從業者的設計經驗，結果往往不能滿足井下支護要求，礦山后續還需要進一步對支護設計作出改進。從另一角度出發，當各礦區在大地質背景下的支護現狀具有相似性時，完全可以采取工程類比及評價優選的方式從中選出適宜本區位地質情況的支護形式，且相關支護形式在既有的研究論述中已提供了大量的基礎資料和參數詳情。因此，以現場實際情況為導向，結合適當的理論分析，從諸多科研實踐中優選出可以為本工程服務的成果，是一種高效的研究途徑［1-8］。本次研究中采用層次分析法對貴州某礦145軌道石門的支護體系進行方案優選。

1 工程背景

某礦隸屬盤江礦區，井田地質為山區溝谷，煤田區域內地層沉積連續性差，伴有褶皺和大量微小斷層，屬瓦斯突出礦井。111701運輸巷聯巷位于17#煤層內，16#、17#、18#為近距離煤層群，巷道與16#煤層的間隔為11.65 m。17#煤層均厚2.7 m，平均傾角為15°，揭露的頂板巖性是以頁巖、泥巖和泥質粉砂巖為主的中等軟弱巖層，開采過程中常伴有2層較薄夾矸，其結構影響度可忽略不計。

巷道位屬區域應力水平較高，內壁圍巖破碎、完整性差。巷道原支護體系難以維持穩定，歷經多次返修，均無法控制巖體內縮。為確保后續支護設計能夠滿足預期，減少返修次數，降低維修難度，經專家結合現場施工條件研判分析，認為以“錨桿網噴”為主和以“錨桿（索）注漿”為主的2種支護體系符合本次所研究巷道的工程特點。

2 支護方案

2.1 錨桿網噴支護

（1）錨桿參數為φ22 mm×L2 000 mm，選用左螺旋鋼錨桿，間排距設置參數為800 mm×800 mm。

（2）金屬網兜選用菱形金屬網，沿巷道輪廓線鋪設，自正中向兩側進行，網兜規格為1 500 mm×900 mm的8#鐵絲菱形網，網格尺寸為100 mm×100 mm。

（3）噴射混凝土封閉圍巖，所使用混凝土的強度等級為C40，噴射厚度為120 mm。

2.2 錨桿（索）注漿支護

（1）頂部錨桿規格為φ22 mm×L2 500 mm，幫部錨桿φ22 mm×L2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm。

（2）錨索規格為φ21.6 mm×L7 000 mm，間排距1 200 mm×1 200 mm，每根錨索采用5節錨固劑。

（3）噴射混凝土強度等級為C40、厚度為500 mm。

（4）注漿工藝中，水泥砂漿配合比為水泥∶砂子=1∶2.5，速凝劑占總水泥用量的5%左右，噴漿機的噴漿壓力調節到0.2～0.4 MPa較適宜。

3 基于層次分析法的優選

3.1 層次分析法原理

層次分析法（AHP）是一種系統性綜合評價方法，里面包含有多個評價指標，具有多層靈活性，能與現場實際情況結合緊密。層次分析法分析結構分為上層、中層和下層，分別對應目標層、準則層和指標層［5］。將定性與定量相結合是層次分析法的特點之一，且對于2種具體系統的對比分析效果尤為明顯：①綜合復雜系統中數學模型難以建立且需要做定性分析；②對于有些系統問題無需進行詳細的定量分析，只需要作出定性的判斷和抉擇［6］。應用AHP解決問題的思路如下。

（1）將目標層擬解決的問題作層間細化，根據設計支護預期來確定巷道支護的構建方式和作業工序，達到完成主體支護作業的要求。由于目標層是由多因素聚合而成，故細化分解后層間也會出現不同程度的隸屬關系和層間組合，在結構上形成一個網狀擴展的階梯模型。

（2）經由與現場技術人員溝通和報送專家研判，將研判結果代入各個下級指標中進行考量，再進行方程運算檢驗研判指標與層級因素的契合度。

（3）對各層間計算結果進行權重計算，并逆序上推至目標層，將數值結果按照權重的重要性次序依次排列。

3.2 層次結構模型

通過對礦井生產地質資料進行整理，并結合專家意見，綜合分析并選取影響支護效果的一級評價指標6個、二級評價指標16個。構建支護方案的優化層次結構（圖1），并對目標層開展影響因素評價。

3.3 構造判斷矩陣

通過井下調研以及現場工程技術人員的系統評價，統計得到判斷矩陣：

3.4 層次單排序

層次分析法中計算下層對上層影響權值的方法有多種形式，本次研究中各指標層指標數量適中，故選用特征向量值法進行計算并排序，計算公式為

式中，A為判斷矩陣，ω為權重向量，λmax為矩陣的最大特征值。

通過（1）式計算得到最大特征值及特征向量見表1。

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3.5 一致性檢驗

對于構造的判斷矩陣，根據式（2）、式（3）進行一致性檢驗，檢驗標準為一致性比率CR＜0.10。一致性指標CI計算式為

式中，n為判斷矩陣的階數。

一致性比率CR計算式為

式中，RI為隨機一致性檢驗指標。

一致性比率計算結果見表2。

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計算結果表明CR值均小于0.10，故滿足一致性條件。

3.6 各指標相對權重

C層對A層的總排序權值公式

式中，c i為權值；b ji為B層對A層的層次單排序權值；a i為A層的m個元素相應的層次總排序權值。經式（4）計算得C層對A層的總排序：ωA-C=（0.192 3，0.098 6，0.028 7，0.013 3，0.057 5，0.093 5，0.053 9，0.028 4，0.030 5，0.011 8，0.018 8，0.035 3，0.099 4，0.186 7，0.021 0，0.042 1）。

3.7 方案決策

式（5）為綜合評價計算公式，通過指標層權重計算及排序，結合專家的初始權重研判，將錨網索噴支護和錨桿（索）注漿支護進行對比分析，結果見表3。

式中，ω為綜合評價指標；x ij為專家初始評判權重，由各因素權重之積求和而得。

經計算得ω1=0.506，ω2=0.649，ω2＞ω1。由層次分析法分析結果得出，南大巷的支護方式宜采用錨桿（索）注漿支護。

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4 數值模擬分析

4.1 模型建立

根據高等巖石力學中的巷道圍巖松動圈理論，巷道掘進后，圍巖所受影響范圍為巷道跨度的3～5倍。根據相應的地質模型圖，在FLAC3D中按比例建立南大巷軟巖巷道數值模型，模型尺寸為80 m×8 m×60 m（長×寬×高），模型共劃分175 600個單元和185 283個節點。模型左右兩側及底部為位移限制，上部為自由面，并施加p0=2.34×106Pa的垂直載荷。根據實驗室試驗測試和井筒檢查鉆孔勘察報告，統計煤及巖石的物理力學參數見表4。支架模擬采用Beam單元，碹體采用Liners單元，錨桿索采用Cable單元，參數見表5。

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4.2 結果分析

對巷道開挖后的2種支護體系分別進行模擬，得到巷道圍巖垂直位移云圖（圖2）、圍巖變形量與塑性區范圍（表6）。

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由表6可見，采取錨桿（索）注漿支護方案的頂底板下沉量明顯低于錨桿網噴支護，圍巖變形情況也優于后者，所以層次分析法的分析結果是可靠的。

5 工程實踐

錨桿（索）注漿支護方案于111701運輸聯巷成功運用，巷道監測點布置采用十字法，即在頂底板和兩幫對應位置安設監測點，對巷道頂底板以及兩幫的移進量進行檢測統計，監測時間為90 d，檢測結果見圖3。由監測結果分析得出，使用錨桿（索）注漿支護后巷道在初期的變形量比較大，原因是支護構件沒有起到主動支護作用，在巷道支護后50 d左右，巷道的變形逐漸趨于穩定，變形量保持在110 mm左右，之后的監測結果表明巷道逐漸趨于穩定，變形量不大。

6 結論

（1）對145軌道石門多次返修、支護形式選擇難的問題，提出采用層次分析法對相似地質條件下的既往研究成果和支護方案進行擇優。

（2）從安全、資金、工效、環境、工藝等多方面綜合考慮，在層次分析法框架內選擇了貼近現場工程地質條件的一級指標6個、二級指標16個，對2種不同支護方案的評價權重分別為0.506和0.649，認為錨桿（索）注漿支護方式最優。

（3）數值模擬結果表明，錨桿（索）注漿支護下圍巖變形及塑性范圍明顯小于錨桿網噴支護，經過現場實踐證明，該支護方式能夠滿足支護要求，層次分析模型的分析結果是可靠的。