巷道支护结构可靠度分析

叶宝鹏，叶明锦，周珍伟

（六盘水师范学院，贵州 六盘水 553004）

结构可靠度是指在一定的使用时间内，在一定的使用条件下，结构完成其规定的使用功能的概率。从1930年开始，结构可靠度的理论和内容就已经进入了国外很多研究学者的视线。渐渐地，这种理论被初步用于建筑的结构分析和设计中。过了约20年的时间后，我国也开始了结构可靠度理论的研究中，经过几十年的研究和论证，我国的结构可靠度理论和实践都取得了一定的进展，这离不开国内科研学者的不懈努力。

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。然而，在施工企业的矿山巷道实际施工过程中，矿山巷道的稳定性并没有形成一个公认的判断依据，往往矿山巷道的施工仅靠施工者的经验来进行，无法保证巷道施工的安全性，巷道和巷道支护坍塌的事件层出不穷，结构坍塌以致伤人亡人的事故时有发生。

1 结构可靠度分析的原理

1.1 结构可靠度与极限状态

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 结构可靠度与失效概率

当结构功能函数小于0时，对应的是该结构的功能失效，那么结构功能失效的概率就是结构功能函数小于0的概率。结构的失效概率一般通过多维积分式而解出，当结构功能函数中变量较多时，抑或是结构功能函数不是线性函数时，结构功能函数是否可以求得结果还不得而知，一般只需求得可靠度与失效概率的关系等式即可。

2 软质岩巷道支护参数优选

巷道支护时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。

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。

3 松散岩巷道支护参数优选

经过上文的分析可知，松散岩巷道支护的结构可靠度与衬砌厚度和锚间距有关，并不是一味的增加衬砌厚度或者减小锚间距就是最优选择，还需要考虑经济成本和意义。松散岩和软质岩不同，松散岩的结构相比于软质岩更加松散，最优参数也不尽相同。松散岩的稳定性相比于软质岩差很多，因此需要更大的衬砌厚度和更小的锚间距以稳定松散岩巷道支护的结构，提高巷道稳定性可靠度。

当松散岩巷道衬砌厚度达到140毫米时，结构可靠度达到0.9956，此时巷道施工的稳定性和安全可以得到保证，继续增加巷道厚度时，稳定性指标的上升趋势变得较为平缓。为了巷道的安全稳定，巷道中在施工时衬砌厚度140毫米是最优参数，此后再增加衬砌厚度对巷道稳定性影响较小。

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至600毫米时，结构可靠度达到0.9908，继续增加至700毫米时，结构可靠度降至0.9823，此时已无法满足巷道施工的稳定性要求和安全要求。

因此，松散岩巷道衬砌厚度设计为140毫米，锚间距设计为600毫米是最优的支护参数方案，可以满足巷道的稳定性要求和施工安全要求。

4 结语

结果表明：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；松散岩巷道衬砌厚度设计为140毫米，锚间距设计为600毫米是最优的支护参数方案。这两种方案均可以满足巷道施工的稳定性要求和安全性要求。

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。

这种可靠度分析的方法改变了原有靠施工工人经验施工的现状，减少了施工参数的摸索时间，将巷道支护可靠度变成一种稳定的、公认的技术指标，对巷道支护的工艺参数进行优选设计，无疑是一项非常有价值的科学研究，具有较高经济价值和社会意义。