巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度分析

王月良

河北中煤四處礦山工程有限公司 河北邢臺(tái) 054000

近年來，隨著我國煤礦高產(chǎn)、高效技術(shù)的快速推廣和應(yīng)用，煤炭資源長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度開采，一些賦存條件較好，開采較易的煤層已接近枯竭，煤炭資源開采深度也逐漸增加。與淺部煤層相比，深埋煤層原巖應(yīng)力較高，巷道開挖后能夠引起較大的應(yīng)力集中，并且由于埋深增加，巷道不僅在剛剛開挖后變形較大，同時(shí)圍巖變形的蠕變效應(yīng)也較為明顯。通常來講，可靠度的計(jì)算方法可以被分為兩類，它們是點(diǎn)可靠度計(jì)算方法和體系可靠度計(jì)算方法，這種可靠度計(jì)算方法的分類是根據(jù)研究對(duì)象的不同來劃分的。點(diǎn)可靠度計(jì)算方法和體系可靠度計(jì)算方法的區(qū)別是研究對(duì)象為單個(gè)結(jié)構(gòu)和多個(gè)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，或者是一個(gè)失效情形或者多個(gè)失效情形的區(qū)別。在地下開采的實(shí)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(gè)關(guān)鍵問題，對(duì)項(xiàng)目的施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益也有著非凡的意義。

1 結(jié)構(gòu)可靠度分析的原理

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(gè)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(shí)還未發(fā)生形變，超過某個(gè)承載時(shí)就會(huì)發(fā)生形變，此時(shí)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(xiàng)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 軟巖巷道特征及支護(hù)困難的原因分析

2.1 軟巖巷道特征

（1）來壓快，自身穩(wěn)定的時(shí)間短。自身穩(wěn)定時(shí)間是圍巖在無支護(hù)狀態(tài)下從暴露到失穩(wěn)冒落的時(shí)間。自穩(wěn)時(shí)間和地壓大小以及圍巖強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，并且也會(huì)受到位置、巷道形狀以及掘進(jìn)方法的影響。軟巖巷道自穩(wěn)的時(shí)間很短，一般幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)即可，且來壓快，需要超前支護(hù)或者是及時(shí)支護(hù)。

（2）圍巖的變形量較大，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。一般來說，當(dāng)軟巖巷道掘進(jìn)1-2天，就會(huì)達(dá)到10-20mm的變形量，并且變形的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25-60天，甚至超過半年。就算是選擇了支護(hù)措施，依舊會(huì)有個(gè)別軟巖巷道出現(xiàn)較大的變形量。

（3）圍巖四周來壓底鼓明顯。針對(duì)相對(duì)堅(jiān)硬的巖層，圍巖對(duì)于支架造成的壓力來源于頂板和兩幫，但是軟巖巷道之中是四周來壓，其底鼓較為明顯。這主要是因?yàn)樗绍泿r層本身的結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度偏低，無法支撐覆巖層的重量。

2.2 軟巖巷道的支護(hù)

首先，軟巖巷道本身的圍巖成巖的年代晚，其膠結(jié)程度較差，這樣就很容易讓煤層的頂板和底板出現(xiàn)破壞，進(jìn)而風(fēng)化。

其次，煤礦之中存在泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖，其本身的強(qiáng)度較低，主要表現(xiàn)在圍巖松散軟弱，一旦受到的應(yīng)力水平較高，就會(huì)出現(xiàn)極大的變形，進(jìn)而影響巷道的支護(hù)。

最后，巖體破碎、節(jié)理發(fā)育。部分礦區(qū)雖然巖石強(qiáng)度較高，但是考慮到節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，就很容易表現(xiàn)軟巖特征，并且支護(hù)也非常的困難。

3 大變形控制支護(hù)方案

工程實(shí)踐表明，對(duì)于深部軟巖巷道工程，無論是新開、還是實(shí)施了多次支護(hù)的翻修工程，其破壞總是從某一個(gè)或幾個(gè)部位開始變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖體及巖層結(jié)構(gòu)面是引起巷道圍巖強(qiáng)度降低、產(chǎn)生非對(duì)稱大變形破壞的主要原因，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的控制是非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

巷道圍巖變形破壞過程中首先破壞的部位，稱之為關(guān)鍵部位。關(guān)鍵部位產(chǎn)生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護(hù)體與圍巖變形不協(xié)調(diào)而引起的。通過支護(hù)的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的[2]。

4 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)完善措施

4.1 軟質(zhì)巖巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)選

巷道支護(hù)是煤炭開采行業(yè)施工中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)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(duì)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(gè)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(shí)，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.9918，此時(shí)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(shí)，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(jì)成80毫米是最合適的，此后再增加襯砌厚度對(duì)巷道穩(wěn)定性增加量微乎其微[3]。

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(shí)，結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到0.992以上，繼續(xù)增加至1000毫米時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠度降至0.9719，此時(shí)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(jì)為80毫米，錨間距設(shè)計(jì)為900毫米是最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)方案。

4.2 聯(lián)合支護(hù)巷道變形特征

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面分布特征及關(guān)鍵部位破壞特征對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化，提出注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)的方法，對(duì)巷道頂?shù)装暹M(jìn)行全斷面支護(hù)。注漿錨桿直徑22mm，長(zhǎng)3m，大變形錨索直徑15.24mm，長(zhǎng)6m，間距均為800mm，排距均為1000mm。底角錨桿直徑48mm，長(zhǎng)3700mm，角度為45°，間距排距與注漿錨桿相同。聯(lián)合支護(hù)后的巷道未發(fā)現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。頂?shù)装逡矝]有出現(xiàn)塊體掉落及滑移現(xiàn)象，整體巷道支護(hù)效果良好。根據(jù)巷道頂板位移云圖可以得到巷道開挖支護(hù)后，斷面下沉量小于0.15cm。巷道變形被控制在有效范圍內(nèi)。巷道累積變形量在剛開挖時(shí)有一定增加，但在小于0.15cm時(shí)由于聯(lián)合支護(hù)作用保持穩(wěn)定，沒有持續(xù)增加，巷道變形量被控制在很小的范圍內(nèi)。巷道可以維持長(zhǎng)期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。

4.3 錨桿錨固形式的確定

按照錨固長(zhǎng)度的差異，將錨固劃分為全長(zhǎng)錨固、加長(zhǎng)錨固以及端頭錨固3個(gè)方面。經(jīng)過相應(yīng)的分析，全長(zhǎng)或者是加長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)要明顯高于端頭錨固錨桿。一般在頂板相對(duì)完整穩(wěn)定，并且應(yīng)力偏小的巷道之中可以選擇端頭錨固錨桿的方式；如果地形條件復(fù)雜，并且操作困難，則可以考慮全長(zhǎng)錨固或者是加長(zhǎng)錨固。針對(duì)裂隙、節(jié)理以及層理十分發(fā)育受到采動(dòng)影響的動(dòng)壓巷道，端頭錨固錨桿本身的適應(yīng)性較差，所以就應(yīng)該選擇全長(zhǎng)以及加長(zhǎng)的錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)。針對(duì)本次的2#煤巷的實(shí)際情況，選擇加長(zhǎng)錨固的方式進(jìn)行支護(hù)操作。

4.4 錨桿預(yù)緊力的確定

（1）盡量增加安裝錨桿的預(yù)警扭矩。按照錨固劑的力學(xué)性能、錨桿桿體材料、鉆孔與錨固劑之間的粘結(jié)特性，在允許的前提下，錨桿預(yù)緊可以選擇大扭矩扳手、氣動(dòng)扳手或者是大扭矩錨桿鉆進(jìn)來進(jìn)行操作。（2）確保錨桿尾部的螺母與螺紋之間的光潔度，盡可能的減少摩擦當(dāng)量角。通過錨桿加工工藝的控制，或者是在螺紋段落涂抹潤(rùn)滑油脂，就可以滿足其光潔度的要求。（3）降低錨桿螺母與球墊以及托盤之間的摩擦力?？紤]到螺母和球墊以及托盤之間可能會(huì)有水平摩擦力的存在，進(jìn)而形成摩擦扭矩，就需要將施工機(jī)具提供的預(yù)緊扭矩消除，降低錨桿預(yù)緊力。所以可以利用尼龍墊圈的設(shè)置，就能有效降低摩擦阻力?；谏鲜龅姆治?，提升巷道圍巖穩(wěn)定性可以選擇增加錨桿預(yù)緊力的方式進(jìn)行，但是考慮到錨桿螺紋加工精度較低、可回收錨桿承載能力低以及施工機(jī)具等方面的條件限制，再結(jié)合本煤礦的基本情況，施工之中只能夠要求：工作幫的玻璃鋼錨桿預(yù)緊扭矩需超過150N·m；而非工作幫錨桿或者是巷道的頂板，預(yù)緊扭矩必須超過200N·m。

5 結(jié)語

綜上所述，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(duì)于礦山巷道支護(hù)的參數(shù)優(yōu)選方面還少有研究。對(duì)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(duì)巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工都有著重要的意義。