基于可靠度分析方法的巷道支護參數(shù)優(yōu)選研究

羅云龍

(貴州省地礦局104地質(zhì)大隊，貴州 都勻市 558000)

0 引 言

地下開采中，巷道穩(wěn)定性是關(guān)系到礦山能否進行安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性問題[1-2]。但是，在實際礦山工程中，巷道穩(wěn)定性缺乏公認的安全判據(jù)，巷道開挖和支護基本取決于施工者的經(jīng)驗，導(dǎo)致安全可靠度達不到要求，巷道及其支護結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的案例時有發(fā)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(yīng)用，較為成功地保障了相關(guān)工程的安全性[4-8]，但可靠度分析方法在礦山巷道穩(wěn)定性分析和支護參數(shù)設(shè)計方面的研究還很少。因此，如能將可靠度分析應(yīng)用到礦山巷道支護設(shè)計中，勢必將改善礦山巷道的安全穩(wěn)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(shù)進行了優(yōu)選設(shè)計，以期得到更合理的支護參數(shù)，提高礦山生產(chǎn)的安全性。

1 工程概況

某磷礦位于貴州省黔南州，工程地質(zhì)條件復(fù)雜到中等，其圍巖按照結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)強度可劃分為硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組、軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組和松散巖類工程地質(zhì)巖組。

在工程布置中發(fā)現(xiàn)，巷道不能避開上述3組巖組，因此只能根據(jù)不同的圍巖選擇不同的巷道支護方法：硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組巷道可暫時不用支護，軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組巷道(以下簡稱為軟質(zhì)巖巷道)和松散巖類工程地質(zhì)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(shù)優(yōu)化主要針對軟質(zhì)巖巷道和松散巖巷道，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 巷道圍巖參數(shù)

2 巷道支護結(jié)構(gòu)可靠度分析方法

根據(jù)相關(guān)研究[9-10]，巷道支護結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力狀態(tài)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(nèi)橫向加固鋼筋網(wǎng)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(yīng)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(yīng)力和剪應(yīng)力；As為錨桿橫截面積；e、t為錨桿布置參數(shù)；H為巖石承載圈厚度；r0為巷道半徑；R0為塑性區(qū)半徑；c、φ為圍巖的粘聚力和內(nèi)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(lǐng)域隧道常用的巷道支護結(jié)構(gòu)可靠度方法，即JC法作為本文的計算方法。

根據(jù)式(1)與JC法相結(jié)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(jù)巷道圍巖及支護結(jié)構(gòu)特點，選定初始的演算點P*，獲取初始的演算值；

(2) 根據(jù)式(5)和式(6)，計算cosθS，cosθR；

(3) 根據(jù)式(1)和式(4)，計算可靠度指標；

(4) 根據(jù)已獲取的可靠度指標，對初始設(shè)計參數(shù)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(xù)計算。

3 巷道支護參數(shù)優(yōu)選

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

3.1 軟質(zhì)巖巷道支護參數(shù)優(yōu)選

對軟質(zhì)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(wěn)定性越好，其直接表現(xiàn)就是巷道穩(wěn)定可靠度及其可靠度指標均增大。當(dāng)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?？煽慷戎笜艘灿蓄愃埔?guī)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(zhì)巖巷道襯砌厚度可靠度變化曲線

圖2 軟質(zhì)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(wěn)定性越差，巷道穩(wěn)定可靠度及其可靠度指標均減小。當(dāng)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?？煽慷戎笜艘灿蓄愃埔?guī)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(zhì)巖巷道，經(jīng)優(yōu)選之后推薦的支護參數(shù)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(shù)優(yōu)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(wěn)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(zhì)巖巷道類似，襯砌厚度越大，巷道的穩(wěn)定性越好。當(dāng)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?？煽慷戎笜艘灿蓄愃埔?guī)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(wěn)定性越差。當(dāng)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?？煽慷戎笜艘灿蓄愃埔?guī)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(jīng)優(yōu)選之后推薦的支護參數(shù)為：混凝土襯砌厚度為140 mm，錨桿間距為600 mm。

4 結(jié) 論

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

(2) 對該磷礦軟質(zhì)巖巷道和松散巖巷道的支護參數(shù)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(guī)律，獲取了支護參數(shù)的推薦參數(shù)，其中軟質(zhì)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。