基于層次分析法的軟巖巷道支護(hù)設(shè)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(qū)煤炭資源的開采逐漸向深部發(fā)展，軟巖巷道支護(hù)給礦山建設(shè)帶來難題。目前，工程設(shè)計中對巷道支護(hù)的考量主要是基于大量相關(guān)從業(yè)者的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)果往往不能滿足井下支護(hù)要求，礦山后續(xù)還需要進(jìn)一步對支護(hù)設(shè)計作出改進(jìn)。從另一角度出發(fā)，當(dāng)各礦區(qū)在大地質(zhì)背景下的支護(hù)現(xiàn)狀具有相似性時，完全可以采取工程類比及評價優(yōu)選的方式從中選出適宜本區(qū)位地質(zhì)情況的支護(hù)形式，且相關(guān)支護(hù)形式在既有的研究論述中已提供了大量的基礎(chǔ)資料和參數(shù)詳情。因此，以現(xiàn)場實際情況為導(dǎo)向，結(jié)合適當(dāng)?shù)睦碚摲治?，從諸多科研實踐中優(yōu)選出可以為本工程服務(wù)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(hù)體系進(jìn)行方案優(yōu)選。

1 工程背景

某礦隸屬盤江礦區(qū)，井田地質(zhì)為山區(qū)溝谷，煤田區(qū)域內(nèi)地層沉積連續(xù)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(lián)巷位于17#煤層內(nèi)，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(zhì)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(jié)構(gòu)影響度可忽略不計。

巷道位屬區(qū)域應(yīng)力水平較高，內(nèi)壁圍巖破碎、完整性差。巷道原支護(hù)體系難以維持穩(wěn)定，歷經(jīng)多次返修，均無法控制巖體內(nèi)縮。為確保后續(xù)支護(hù)設(shè)計能夠滿足預(yù)期，減少返修次數(shù)，降低維修難度，經(jīng)專家結(jié)合現(xiàn)場施工條件研判分析，認(rèn)為以“錨桿網(wǎng)噴”為主和以“錨桿（索）注漿”為主的2種支護(hù)體系符合本次所研究巷道的工程特點。

2 支護(hù)方案

2.1 錨桿網(wǎng)噴支護(hù)

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

（2）金屬網(wǎng)兜選用菱形金屬網(wǎng)，沿巷道輪廓線鋪設(shè)，自正中向兩側(cè)進(jìn)行，網(wǎng)兜規(guī)格為1 500 mm×900 mm的8#鐵絲菱形網(wǎng)，網(wǎng)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(hù)

（1）頂部錨桿規(guī)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(guī)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(jié)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(jī)的噴漿壓力調(diào)節(jié)到0.2～0.4 MPa較適宜。

3 基于層次分析法的優(yōu)選

3.1 層次分析法原理

層次分析法（AHP）是一種系統(tǒng)性綜合評價方法，里面包含有多個評價指標(biāo)，具有多層靈活性，能與現(xiàn)場實際情況結(jié)合緊密。層次分析法分析結(jié)構(gòu)分為上層、中層和下層，分別對應(yīng)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層［5］。將定性與定量相結(jié)合是層次分析法的特點之一，且對于2種具體系統(tǒng)的對比分析效果尤為明顯：①綜合復(fù)雜系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型難以建立且需要做定性分析；②對于有些系統(tǒng)問題無需進(jìn)行詳細(xì)的定量分析，只需要作出定性的判斷和抉擇［6］。應(yīng)用AHP解決問題的思路如下。

（1）將目標(biāo)層擬解決的問題作層間細(xì)化，根據(jù)設(shè)計支護(hù)預(yù)期來確定巷道支護(hù)的構(gòu)建方式和作業(yè)工序，達(dá)到完成主體支護(hù)作業(yè)的要求。由于目標(biāo)層是由多因素聚合而成，故細(xì)化分解后層間也會出現(xiàn)不同程度的隸屬關(guān)系和層間組合，在結(jié)構(gòu)上形成一個網(wǎng)狀擴(kuò)展的階梯模型。

（2）經(jīng)由與現(xiàn)場技術(shù)人員溝通和報送專家研判，將研判結(jié)果代入各個下級指標(biāo)中進(jìn)行考量，再進(jìn)行方程運算檢驗研判指標(biāo)與層級因素的契合度。

（3）對各層間計算結(jié)果進(jìn)行權(quán)重計算，并逆序上推至目標(biāo)層，將數(shù)值結(jié)果按照權(quán)重的重要性次序依次排列。

3.2 層次結(jié)構(gòu)模型

通過對礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料進(jìn)行整理，并結(jié)合專家意見，綜合分析并選取影響支護(hù)效果的一級評價指標(biāo)6個、二級評價指標(biāo)16個。構(gòu)建支護(hù)方案的優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)（圖1），并對目標(biāo)層開展影響因素評價。

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

通過井下調(diào)研以及現(xiàn)場工程技術(shù)人員的系統(tǒng)評價，統(tǒng)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(quán)值的方法有多種形式，本次研究中各指標(biāo)層指標(biāo)數(shù)量適中，故選用特征向量值法進(jìn)行計算并排序，計算公式為

式中，A為判斷矩陣，ω為權(quán)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(gòu)造的判斷矩陣，根據(jù)式（2）、式（3）進(jìn)行一致性檢驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)為一致性比率CR＜0.10。一致性指標(biāo)CI計算式為

式中，n為判斷矩陣的階數(shù)。

一致性比率CR計算式為

式中，RI為隨機(jī)一致性檢驗指標(biāo)。

一致性比率計算結(jié)果見表2。

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計算結(jié)果表明CR值均小于0.10，故滿足一致性條件。

3.6 各指標(biāo)相對權(quán)重

C層對A層的總排序權(quán)值公式

式中，c i為權(quán)值；b ji為B層對A層的層次單排序權(quán)值；a i為A層的m個元素相應(yīng)的層次總排序權(quán)值。經(jīng)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(biāo)層權(quán)重計算及排序，結(jié)合專家的初始權(quán)重研判，將錨網(wǎng)索噴支護(hù)和錨桿（索）注漿支護(hù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表3。

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

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

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4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

根據(jù)高等巖石力學(xué)中的巷道圍巖松動圈理論，巷道掘進(jìn)后，圍巖所受影響范圍為巷道跨度的3～5倍。根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)模型圖，在FLAC3D中按比例建立南大巷軟巖巷道數(shù)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(jié)點。模型左右兩側(cè)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(jù)實驗室試驗測試和井筒檢查鉆孔勘察報告，統(tǒng)計煤及巖石的物理力學(xué)參數(shù)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(shù)見表5。

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4.2 結(jié)果分析

對巷道開挖后的2種支護(hù)體系分別進(jìn)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(qū)范圍（表6）。

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由表6可見，采取錨桿（索）注漿支護(hù)方案的頂?shù)装逑鲁亮棵黠@低于錨桿網(wǎng)噴支護(hù)，圍巖變形情況也優(yōu)于后者，所以層次分析法的分析結(jié)果是可靠的。

5 工程實踐

錨桿（索）注漿支護(hù)方案于111701運輸聯(lián)巷成功運用，巷道監(jiān)測點布置采用十字法，即在頂?shù)装搴蛢蓭蛯?yīng)位置安設(shè)監(jiān)測點，對巷道頂?shù)装逡约皟蓭偷囊七M(jìn)量進(jìn)行檢測統(tǒng)計，監(jiān)測時間為90 d，檢測結(jié)果見圖3。由監(jiān)測結(jié)果分析得出，使用錨桿（索）注漿支護(hù)后巷道在初期的變形量比較大，原因是支護(hù)構(gòu)件沒有起到主動支護(hù)作用，在巷道支護(hù)后50 d左右，巷道的變形逐漸趨于穩(wěn)定，變形量保持在110 mm左右，之后的監(jiān)測結(jié)果表明巷道逐漸趨于穩(wěn)定，變形量不大。

6 結(jié)論

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

（2）從安全、資金、工效、環(huán)境、工藝等多方面綜合考慮，在層次分析法框架內(nèi)選擇了貼近現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的一級指標(biāo)6個、二級指標(biāo)16個，對2種不同支護(hù)方案的評價權(quán)重分別為0.506和0.649，認(rèn)為錨桿（索）注漿支護(hù)方式最優(yōu)。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，錨桿（索）注漿支護(hù)下圍巖變形及塑性范圍明顯小于錨桿網(wǎng)噴支護(hù)，經(jīng)過現(xiàn)場實踐證明，該支護(hù)方式能夠滿足支護(hù)要求，層次分析模型的分析結(jié)果是可靠的。