基于可靠度分析方法的巷道支护参数优选研究

罗云龙

(贵州省地矿局104地质大队，贵州 都匀市 558000)

0 引 言

地下开采中，巷道稳定性是关系到矿山能否进行安全生产的关键性问题[1-2]。但是，在实际矿山工程中，巷道稳定性缺乏公认的安全判据，巷道开挖和支护基本取决于施工者的经验，导致安全可靠度达不到要求，巷道及其支护结构发生破坏的案例时有发生[3]。同时，虽然可靠度分析方法在类似工程如桥梁、公路、铁路工程以及矿山爆破工程中均得到了广泛应用，较为成功地保障了相关工程的安全性[4-8]，但可靠度分析方法在矿山巷道稳定性分析和支护参数设计方面的研究还很少。因此，如能将可靠度分析应用到矿山巷道支护设计中，势必将改善矿山巷道的安全稳定性。

基于此，本文尝试引入可靠度分析方法，以贵州某磷矿为对象，对其破碎岩体巷道的锚喷支护参数进行了优选设计，以期得到更合理的支护参数，提高矿山生产的安全性。

1 工程概况

某磷矿位于贵州省黔南州，工程地质条件复杂到中等，其围岩按照结构特征及力学强度可划分为硬质岩类工程地质岩组、软质岩类工程地质岩组和松散岩类工程地质岩组。

在工程布置中发现，巷道不能避开上述3组岩组，因此只能根据不同的围岩选择不同的巷道支护方法：硬质岩类工程地质岩组巷道可暂时不用支护，软质岩类工程地质岩组巷道(以下简称为软质岩巷道)和松散岩类工程地质岩组(以下简称为松散岩巷道)均采用锚喷支护。因此，本文支护参数优化主要针对软质岩巷道和松散岩巷道，其相关参数如表1所示。

表1 巷道围岩参数

2 巷道支护结构可靠度分析方法

根据相关研究[9-10]，巷道支护结构的极限应力状态方程可如式(1)所示：

qia=fyAs/et

(2)

θ1=θ0+cotαln(H+r0)/r0

(3)

式中，Asv为巷道每1 m内横向加固钢筋网的截面积；fyv为钢筋抗剪强度；b为破裂楔体高度；α为滑移面与最大主应力夹角；fv为喷射混凝土层的抗剪强度；h为喷射混凝土层的厚度；θ0为破裂起始角；σR和τR分别为考虑加固围岩滑移面上的正应力和剪应力；As为锚杆横截面积；e、t为锚杆布置参数；H为岩石承载圈厚度；r0为巷道半径；R0为塑性区半径；c、φ为围岩的粘聚力和内摩擦角。

同时，由于在矿山巷道方面还没有公认的可靠度计算方法，因此引入在交通领域隧道常用的巷道支护结构可靠度方法，即JC法作为本文的计算方法。

根据式(1)与JC法相结合，可求得可靠度如式(4)～式(6)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

得到上述可靠度计算公式之后，参照JC法基本原理，实际可靠度可依以下步骤计算：

(1) 根据巷道围岩及支护结构特点，选定初始的演算点P*，获取初始的演算值；

(2) 根据式(5)和式(6)，计算cosθS，cosθR；

(3) 根据式(1)和式(4)，计算可靠度指标；

(4) 根据已获取的可靠度指标，对初始设计参数的可靠度进行判断，并选取新的演算点；

(5) 若βi+1/βi≤0.01，则计算停止，所求之β即为要求的可靠度指标；反之，则按上述步骤继续计算。

3 巷道支护参数优选

根据表1和式(1)～式(7)，采用MATLAB软件分别计算软质岩巷道和松散岩巷道支护参数和可靠度指标。

3.1 软质岩巷道支护参数优选

对软质岩巷道，不同混凝土衬砌厚度和不同锚杆间距下的可靠度变化曲线分别如图1和图2所示。

由图1可知，衬砌厚度越大，巷道的稳定性越好，其直接表现就是巷道稳定可靠度及其可靠度指标均增大。当混凝土衬砌厚度由40 mm增至70 mm时，可靠度由0.9265提高到0.9803，但直到80 mm时才达到0.9918，此后趋于平缓。可靠度指标也有类似规律，可见衬砌厚度确定为80 mm较为合适，可靠度满足矿山巷道安全要求，此后再单纯提高衬砌厚度对可靠度指标贡献已较为有限。

图1 软质岩巷道衬砌厚度可靠度变化曲线

图2 软质岩巷道锚杆间距可靠度变化曲线

由图2可知，锚杆间距越大，巷道的稳定性越差，巷道稳定可靠度及其可靠度指标均减小。当锚杆间距由600 mm增至900 mm时，可靠度由0.9984减小到0.992，但到1000 mm时就减小到0.9719，已不能够保证巷道足够安全。可靠度指标也有类似规律，可见锚杆间距确定为900 mm较为合适，可靠度满足矿山巷道安全要求。

因此，对软质岩巷道，经优选之后推荐的支护参数为：混凝土衬砌厚度为80 mm，锚杆间距为900 mm。

3.2 松散岩巷道支护参数优选

对松散岩巷道，不同混凝土衬砌厚度和不同锚杆间距下的可靠度变化曲线分别如图3和图4所示。

图3 松散岩巷道衬砌厚度可靠度变化曲线

图4 松散岩巷道锚杆间距可靠度变化曲线

由图3和图4可知，松散岩巷道的稳定性较差，需要更厚的衬砌和更小的锚杆间距。

由图3可知，与软质岩巷道类似，衬砌厚度越大，巷道的稳定性越好。当衬砌厚度由60 mm增至120 mm时，可靠度由0.9345提高到0.9897，但直到140 mm时才达到0.9956，此后趋于平缓。可靠度指标也有类似规律。为安全起见，衬砌厚度确定为140 mm较为合适，可靠度满足矿山巷道安全要求。

由图4可知，锚杆间距越大，巷道的稳定性越差。当锚杆间距由400 mm增至600 mm时，可靠度由0.9926减小到0.9908，但到700 mm时就减小到0.9823，已不能够保证巷道足够安全。可靠度指标也有类似规律，可见锚杆间距确定为600 mm较为合适，可靠度满足矿山巷道安全要求。

因此，松散岩巷道经优选之后推荐的支护参数为：混凝土衬砌厚度为140 mm，锚杆间距为600 mm。

4 结 论

(1) 针对贵州某地下磷矿的工程地质条件，引入可靠度分析方法，建立了矿山巷道锚喷支护结构的可靠度计算公式和流程。

(2) 对该磷矿软质岩巷道和松散岩巷道的支护参数进行了可靠度计算，分析不同混凝土衬砌厚度和锚杆间距下的可靠度变化规律，获取了支护参数的推荐参数，其中软质岩巷道：混凝土衬砌厚度为80 mm，锚杆间距为900 mm；松散岩巷道：混凝土衬砌厚度为140 mm，锚杆间距为600 mm。