巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度分析

葉寶鵬，葉明錦，周珍偉

（六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

結(jié)構(gòu)可靠度是指在一定的使用時間內(nèi)，在一定的使用條件下，結(jié)構(gòu)完成其規(guī)定的使用功能的概率。從1930年開始，結(jié)構(gòu)可靠度的理論和內(nèi)容就已經(jīng)進(jìn)入了國外很多研究學(xué)者的視線。漸漸地，這種理論被初步用于建筑的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中。過了約20年的時間后，我國也開始了結(jié)構(gòu)可靠度理論的研究中，經(jīng)過幾十年的研究和論證，我國的結(jié)構(gòu)可靠度理論和實踐都取得了一定的進(jìn)展，這離不開國內(nèi)科研學(xué)者的不懈努力。

通常來講，可靠度的計算方法可以被分為兩類，它們是點可靠度計算方法和體系可靠度計算方法，這種可靠度計算方法的分類是根據(jù)研究對象的不同來劃分的。點可靠度計算方法和體系可靠度計算方法的區(qū)別是研究對象為單個結(jié)構(gòu)和多個結(jié)構(gòu)的區(qū)別，或者是一個失效情形或者多個失效情形的區(qū)別。在地下開采的實際施工過程中，巷道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，這是巷道的施工必須保證的一個關(guān)鍵問題，對項目的施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益也有著非凡的意義。然而，在施工企業(yè)的礦山巷道實際施工過程中，礦山巷道的穩(wěn)定性并沒有形成一個公認(rèn)的判斷依據(jù)，往往礦山巷道的施工僅靠施工者的經(jīng)驗來進(jìn)行，無法保證巷道施工的安全性，巷道和巷道支護(hù)坍塌的事件層出不窮，結(jié)構(gòu)坍塌以致傷人亡人的事故時有發(fā)生。

1 結(jié)構(gòu)可靠度分析的原理

1.1 結(jié)構(gòu)可靠度與極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)安全性、結(jié)構(gòu)適用性和結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)可靠性的三個要素，結(jié)構(gòu)可靠性是上述三者的總稱，可靠度則是數(shù)量的概念，用于描述可靠性多少的數(shù)量概念。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和逐漸破壞極限狀態(tài)，承載能力極限狀態(tài)代表一種結(jié)構(gòu)可以達(dá)到的最大承載能力，用形變來衡量即一種結(jié)構(gòu)達(dá)到某種承載時還未發(fā)生形變，超過某個承載時就會發(fā)生形變，此時的承載被稱作承載能力極限狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)描述一種結(jié)構(gòu)在其正常使用過程中所能達(dá)到的各項使用參數(shù)和使用指標(biāo)的極限狀態(tài)。逐漸破壞連續(xù)狀態(tài)指的是結(jié)構(gòu)因非正常的破壞后，未被破壞的部分沒有受到非正常破壞的影響而可以滿足繼續(xù)使用的條件。在施工工程的結(jié)構(gòu)可靠度分析中，通常采用極限狀態(tài)方程來描述結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，作為一種關(guān)鍵的依據(jù)廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)可靠度的分析當(dāng)中。

1.2 結(jié)構(gòu)可靠度與失效概率

當(dāng)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)小于0時，對應(yīng)的是該結(jié)構(gòu)的功能失效，那么結(jié)構(gòu)功能失效的概率就是結(jié)構(gòu)功能函數(shù)小于0的概率。結(jié)構(gòu)的失效概率一般通過多維積分式而解出，當(dāng)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中變量較多時，抑或是結(jié)構(gòu)功能函數(shù)不是線性函數(shù)時，結(jié)構(gòu)功能函數(shù)是否可以求得結(jié)果還不得而知，一般只需求得可靠度與失效概率的關(guān)系等式即可。

2 軟質(zhì)巖巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)選

巷道支護(hù)時煤炭開采行業(yè)施工中最為關(guān)鍵的一項技術(shù)，巷道支護(hù)的搭建質(zhì)量直接決定了煤炭開采施工環(huán)節(jié)是否能順利進(jìn)行，巷道支護(hù)的搭建是否合理有效也對煤礦企業(yè)的產(chǎn)量和效率有重要的影響。軟質(zhì)巖巷道的施工過程中，混凝土襯砌厚度和錨桿間距是兩個影響軟質(zhì)巖巷道可靠度的原因。巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著襯砌厚度增加而逐漸提高，巷道的穩(wěn)定可靠度也隨著襯砌的厚度增加而逐漸提高。當(dāng)軟質(zhì)巖巷道襯砌厚度達(dá)到80毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.9918，此時已滿足了巷道施工的穩(wěn)定性要求和安全要求，繼續(xù)增加巷道厚度時，穩(wěn)定性指標(biāo)已經(jīng)趨于平穩(wěn)不再升高。從上文的分析可知，巷道中襯砌厚度設(shè)計成80毫米是最合適的，此后再增加襯砌厚度對巷道穩(wěn)定性增加量微乎其微。

巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著錨間距增加而逐漸降低，巷道的穩(wěn)定可靠度也隨著錨間距增加而逐漸降低。當(dāng)軟質(zhì)巖巷道錨間距增加900毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.992以上，繼續(xù)增加至1000毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度降至0.9719，此時已無法滿足巷道施工的穩(wěn)定性要求和安全要求。

綜上所述，軟質(zhì)巖巷道襯砌厚度設(shè)計為80毫米，錨間距設(shè)計為900毫米是最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)方案。

3 松散巖巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)選

經(jīng)過上文的分析可知，松散巖巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)可靠度與襯砌厚度和錨間距有關(guān)，并不是一味的增加襯砌厚度或者減小錨間距就是最優(yōu)選擇，還需要考慮經(jīng)濟(jì)成本和意義。松散巖和軟質(zhì)巖不同，松散巖的結(jié)構(gòu)相比于軟質(zhì)巖更加松散，最優(yōu)參數(shù)也不盡相同。松散巖的穩(wěn)定性相比于軟質(zhì)巖差很多，因此需要更大的襯砌厚度和更小的錨間距以穩(wěn)定松散巖巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)，提高巷道穩(wěn)定性可靠度。

當(dāng)松散巖巷道襯砌厚度達(dá)到140毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.9956，此時巷道施工的穩(wěn)定性和安全可以得到保證，繼續(xù)增加巷道厚度時，穩(wěn)定性指標(biāo)的上升趨勢變得較為平緩。為了巷道的安全穩(wěn)定，巷道中在施工時襯砌厚度140毫米是最優(yōu)參數(shù)，此后再增加襯砌厚度對巷道穩(wěn)定性影響較小。

巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著錨間距增加而逐漸降低，巷道的穩(wěn)定可靠度也隨著錨間距增加而逐漸降低。當(dāng)軟質(zhì)巖巷道錨間距增加至600毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.9908，繼續(xù)增加至700毫米時，結(jié)構(gòu)可靠度降至0.9823，此時已無法滿足巷道施工的穩(wěn)定性要求和安全要求。

因此，松散巖巷道襯砌厚度設(shè)計為140毫米，錨間距設(shè)計為600毫米是最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)方案，可以滿足巷道的穩(wěn)定性要求和施工安全要求。

4 結(jié)語

結(jié)果表明：軟質(zhì)巖巷道襯砌厚度設(shè)計為80毫米，錨間距設(shè)計為900毫米是最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)方案；松散巖巷道襯砌厚度設(shè)計為140毫米，錨間距設(shè)計為600毫米是最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)方案。這兩種方案均可以滿足巷道施工的穩(wěn)定性要求和安全性要求。

可靠度分析法在道路、橋梁、鐵路中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但對于礦山巷道支護(hù)的參數(shù)優(yōu)選方面還少有研究。對礦山巷道使用可靠度分析方法可以節(jié)約施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，提高企業(yè)施工的安全性并且可以提升施工質(zhì)量，對巷道支護(hù)的設(shè)計和施工都有著重要的意義。

這種可靠度分析的方法改變了原有靠施工工人經(jīng)驗施工的現(xiàn)狀，減少了施工參數(shù)的摸索時間，將巷道支護(hù)可靠度變成一種穩(wěn)定的、公認(rèn)的技術(shù)指標(biāo)，對巷道支護(hù)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，無疑是一項非常有價值的科學(xué)研究，具有較高經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。