巷道支护结构可靠度分析

王月良

河北中煤四处矿山工程有限公司 河北邢台 054000

近年来，随着我国煤矿高产、高效技术的快速推广和应用，煤炭资源长时间的高强度开采，一些赋存条件较好，开采较易的煤层已接近枯竭，煤炭资源开采深度也逐渐增加。与浅部煤层相比，深埋煤层原岩应力较高，巷道开挖后能够引起较大的应力集中，并且由于埋深增加，巷道不仅在刚刚开挖后变形较大，同时围岩变形的蠕变效应也较为明显。通常来讲，可靠度的计算方法可以被分为两类，它们是点可靠度计算方法和体系可靠度计算方法，这种可靠度计算方法的分类是根据研究对象的不同来划分的。点可靠度计算方法和体系可靠度计算方法的区别是研究对象为单个结构和多个结构的区别，或者是一个失效情形或者多个失效情形的区别。在地下开采的实际施工过程中，巷道的稳定性至关重要，这是巷道的施工必须保证的一个关键问题，对项目的施工进度和经济效益也有着非凡的意义。

1 结构可靠度分析的原理

结构安全性、结构适用性和结构耐久性是结构可靠性的三个要素，结构可靠性是上述三者的总称，可靠度则是数量的概念，用于描述可靠性多少的数量概念。结构的极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和逐渐破坏极限状态，承载能力极限状态代表一种结构可以达到的最大承载能力，用形变来衡量即一种结构达到某种承载时还未发生形变，超过某个承载时就会发生形变，此时的承载被称作承载能力极限状态。正常使用极限状态描述一种结构在其正常使用过程中所能达到的各项使用参数和使用指标的极限状态。逐渐破坏连续状态指的是结构因非正常的破坏后，未被破坏的部分没有受到非正常破坏的影响而可以满足继续使用的条件。在施工工程的结构可靠度分析中，通常采用极限状态方程来描述结构的极限状态，作为一种关键的依据广泛应用于各种结构可靠度的分析当中[1]。

2 软岩巷道特征及支护困难的原因分析

2.1 软岩巷道特征

（1）来压快，自身稳定的时间短。自身稳定时间是围岩在无支护状态下从暴露到失稳冒落的时间。自稳时间和地压大小以及围岩强度有着直接的关系，并且也会受到位置、巷道形状以及掘进方法的影响。软岩巷道自稳的时间很短，一般几十分钟到几个小时即可，且来压快，需要超前支护或者是及时支护。

（2）围岩的变形量较大，并且持续时间长。一般来说，当软岩巷道掘进1-2天，就会达到10-20mm的变形量，并且变形的时间长达25-60天，甚至超过半年。就算是选择了支护措施，依旧会有个别软岩巷道出现较大的变形量。

（3）围岩四周来压底鼓明显。针对相对坚硬的岩层，围岩对于支架造成的压力来源于顶板和两帮，但是软岩巷道之中是四周来压，其底鼓较为明显。这主要是因为松软岩层本身的结构疏松、强度偏低，无法支撑覆岩层的重量。

2.2 软岩巷道的支护

首先，软岩巷道本身的围岩成岩的年代晚，其胶结程度较差，这样就很容易让煤层的顶板和底板出现破坏，进而风化。

其次，煤矿之中存在泥岩、砂质泥岩等软岩，其本身的强度较低，主要表现在围岩松散软弱，一旦受到的应力水平较高，就会出现极大的变形，进而影响巷道的支护。

最后，岩体破碎、节理发育。部分矿区虽然岩石强度较高，但是考虑到节理发育，岩石破碎，就很容易表现软岩特征，并且支护也非常的困难。

3 大变形控制支护方案

工程实践表明，对于深部软岩巷道工程，无论是新开、还是实施了多次支护的翻修工程，其破坏总是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。通过实验发现岩体及岩层结构面是引起巷道围岩强度降低、产生非对称大变形破坏的主要原因，对于结构面的控制是非对称支护设计的关键。

巷道围岩变形破坏过程中首先破坏的部位，称之为关键部位。关键部位产生的原因是围岩大变形过程中，由于支护体与围岩变形不协调而引起的。通过支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的[2]。

4 巷道支护结构完善措施

4.1 软质岩巷道支护参数优选

巷道支护是煤炭开采行业施工中最为关键的一项技术，巷道支护的搭建质量直接决定了煤炭开采施工环节是否能顺利进行，巷道支护的搭建是否合理有效也对煤矿企业的产量和效率有重要的影响。软质岩巷道的施工过程中，混凝土衬砌厚度和锚杆间距是两个影响软质岩巷道可靠度的原因。巷道的结构稳定性随着衬砌厚度增加而逐渐提高，巷道的稳定可靠度也随着衬砌的厚度增加而逐渐提高。当软质岩巷道衬砌厚度达到80毫米时，结构可靠度达到0.9918，此时已满足了巷道施工的稳定性要求和安全要求，继续增加巷道厚度时，稳定性指标已经趋于平稳不再升高。从上文的分析可知，巷道中衬砌厚度设计成80毫米是最合适的，此后再增加衬砌厚度对巷道稳定性增加量微乎其微[3]。

巷道的结构稳定性随着锚间距增加而逐渐降低，巷道的稳定可靠度也随着锚间距增加而逐渐降低。当软质岩巷道锚间距增加900毫米时，结构可靠度达到0.992以上，继续增加至1000毫米时，结构可靠度降至0.9719，此时已无法满足巷道施工的稳定性要求和安全要求。

综上所述，软质岩巷道衬砌厚度设计为80毫米，锚间距设计为900毫米是最优的支护参数方案。

4.2 联合支护巷道变形特征

根据岩体结构面分布特征及关键部位破坏特征对支护方式进行了优化，提出注浆锚杆+锚索+底角锚杆联合支护的方法，对巷道顶底板进行全断面支护。注浆锚杆直径22mm，长3m，大变形锚索直径15.24mm，长6m，间距均为800mm，排距均为1000mm。底角锚杆直径48mm，长3700mm，角度为45°，间距排距与注浆锚杆相同。联合支护后的巷道未发现张拉破坏区和剪切破坏区，巷道可以保持稳定。顶底板也没有出现块体掉落及滑移现象，整体巷道支护效果良好。根据巷道顶板位移云图可以得到巷道开挖支护后，断面下沉量小于0.15cm。巷道变形被控制在有效范围内。巷道累积变形量在刚开挖时有一定增加，但在小于0.15cm时由于联合支护作用保持稳定，没有持续增加，巷道变形量被控制在很小的范围内。巷道可以维持长期稳定，为安全作业提供了良好的环境。

4.3 锚杆锚固形式的确定

按照锚固长度的差异，将锚固划分为全长锚固、加长锚固以及端头锚固3个方面。经过相应的分析，全长或者是加长锚固锚杆支护系统的优点要明显高于端头锚固锚杆。一般在顶板相对完整稳定，并且应力偏小的巷道之中可以选择端头锚固锚杆的方式；如果地形条件复杂，并且操作困难，则可以考虑全长锚固或者是加长锚固。针对裂隙、节理以及层理十分发育受到采动影响的动压巷道，端头锚固锚杆本身的适应性较差，所以就应该选择全长以及加长的锚固锚杆支护系统。针对本次的2#煤巷的实际情况，选择加长锚固的方式进行支护操作。

4.4 锚杆预紧力的确定

（1）尽量增加安装锚杆的预警扭矩。按照锚固剂的力学性能、锚杆杆体材料、钻孔与锚固剂之间的粘结特性，在允许的前提下，锚杆预紧可以选择大扭矩扳手、气动扳手或者是大扭矩锚杆钻进来进行操作。（2）确保锚杆尾部的螺母与螺纹之间的光洁度，尽可能的减少摩擦当量角。通过锚杆加工工艺的控制，或者是在螺纹段落涂抹润滑油脂，就可以满足其光洁度的要求。（3）降低锚杆螺母与球垫以及托盘之间的摩擦力。考虑到螺母和球垫以及托盘之间可能会有水平摩擦力的存在，进而形成摩擦扭矩，就需要将施工机具提供的预紧扭矩消除，降低锚杆预紧力。所以可以利用尼龙垫圈的设置，就能有效降低摩擦阻力。基于上述的分析，提升巷道围岩稳定性可以选择增加锚杆预紧力的方式进行，但是考虑到锚杆螺纹加工精度较低、可回收锚杆承载能力低以及施工机具等方面的条件限制，再结合本煤矿的基本情况，施工之中只能够要求：工作帮的玻璃钢锚杆预紧扭矩需超过150N·m；而非工作帮锚杆或者是巷道的顶板，预紧扭矩必须超过200N·m。

5 结语

综上所述，可靠度分析法在道路、桥梁、铁路中已经得到了广泛的应用，但对于矿山巷道支护的参数优选方面还少有研究。对矿山巷道使用可靠度分析方法可以节约施工企业的经济成本，提高企业施工的安全性并且可以提升施工质量，对巷道支护的设计和施工都有着重要的意义。