巷道支護結構可靠度分析

葉寶鵬，葉明錦，周珍偉

（六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004）

結構可靠度是指在一定的使用時間內，在一定的使用條件下，結構完成其規定的使用功能的概率。從1930年開始，結構可靠度的理論和內容就已經進入了國外很多研究學者的視線。漸漸地，這種理論被初步用于建筑的結構分析和設計中。過了約20年的時間后，我國也開始了結構可靠度理論的研究中，經過幾十年的研究和論證，我國的結構可靠度理論和實踐都取得了一定的進展，這離不開國內科研學者的不懈努力。

通常來講，可靠度的計算方法可以被分為兩類，它們是點可靠度計算方法和體系可靠度計算方法，這種可靠度計算方法的分類是根據研究對象的不同來劃分的。點可靠度計算方法和體系可靠度計算方法的區別是研究對象為單個結構和多個結構的區別，或者是一個失效情形或者多個失效情形的區別。在地下開采的實際施工過程中，巷道的穩定性至關重要，這是巷道的施工必須保證的一個關鍵問題，對項目的施工進度和經濟效益也有著非凡的意義。然而，在施工企業的礦山巷道實際施工過程中，礦山巷道的穩定性并沒有形成一個公認的判斷依據，往往礦山巷道的施工僅靠施工者的經驗來進行，無法保證巷道施工的安全性，巷道和巷道支護坍塌的事件層出不窮，結構坍塌以致傷人亡人的事故時有發生。

1 結構可靠度分析的原理

1.1 結構可靠度與極限狀態

結構安全性、結構適用性和結構耐久性是結構可靠性的三個要素，結構可靠性是上述三者的總稱，可靠度則是數量的概念，用于描述可靠性多少的數量概念。結構的極限狀態分為承載能力極限狀態、正常使用極限狀態和逐漸破壞極限狀態，承載能力極限狀態代表一種結構可以達到的最大承載能力，用形變來衡量即一種結構達到某種承載時還未發生形變，超過某個承載時就會發生形變，此時的承載被稱作承載能力極限狀態。正常使用極限狀態描述一種結構在其正常使用過程中所能達到的各項使用參數和使用指標的極限狀態。逐漸破壞連續狀態指的是結構因非正常的破壞后，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使用的條件。在施工工程的結構可靠度分析中，通常采用極限狀態方程來描述結構的極限狀態，作為一種關鍵的依據廣泛應用于各種結構可靠度的分析當中。

1.2 結構可靠度與失效概率

當結構功能函數小于0時，對應的是該結構的功能失效，那么結構功能失效的概率就是結構功能函數小于0的概率。結構的失效概率一般通過多維積分式而解出，當結構功能函數中變量較多時，抑或是結構功能函數不是線性函數時，結構功能函數是否可以求得結果還不得而知，一般只需求得可靠度與失效概率的關系等式即可。

2 軟質巖巷道支護參數優選

巷道支護時煤炭開采行業施工中最為關鍵的一項技術，巷道支護的搭建質量直接決定了煤炭開采施工環節是否能順利進行，巷道支護的搭建是否合理有效也對煤礦企業的產量和效率有重要的影響。軟質巖巷道的施工過程中，混凝土襯砌厚度和錨桿間距是兩個影響軟質巖巷道可靠度的原因。巷道的結構穩定性隨著襯砌厚度增加而逐漸提高，巷道的穩定可靠度也隨著襯砌的厚度增加而逐漸提高。當軟質巖巷道襯砌厚度達到80毫米時，結構可靠度達到0.9918，此時已滿足了巷道施工的穩定性要求和安全要求，繼續增加巷道厚度時，穩定性指標已經趨于平穩不再升高。從上文的分析可知，巷道中襯砌厚度設計成80毫米是最合適的，此后再增加襯砌厚度對巷道穩定性增加量微乎其微。

巷道的結構穩定性隨著錨間距增加而逐漸降低，巷道的穩定可靠度也隨著錨間距增加而逐漸降低。當軟質巖巷道錨間距增加900毫米時，結構可靠度達到0.992以上，繼續增加至1000毫米時，結構可靠度降至0.9719，此時已無法滿足巷道施工的穩定性要求和安全要求。

綜上所述，軟質巖巷道襯砌厚度設計為80毫米，錨間距設計為900毫米是最優的支護參數方案。

3 松散巖巷道支護參數優選

經過上文的分析可知，松散巖巷道支護的結構可靠度與襯砌厚度和錨間距有關，并不是一味的增加襯砌厚度或者減小錨間距就是最優選擇，還需要考慮經濟成本和意義。松散巖和軟質巖不同，松散巖的結構相比于軟質巖更加松散，最優參數也不盡相同。松散巖的穩定性相比于軟質巖差很多，因此需要更大的襯砌厚度和更小的錨間距以穩定松散巖巷道支護的結構，提高巷道穩定性可靠度。

當松散巖巷道襯砌厚度達到140毫米時，結構可靠度達到0.9956，此時巷道施工的穩定性和安全可以得到保證，繼續增加巷道厚度時，穩定性指標的上升趨勢變得較為平緩。為了巷道的安全穩定，巷道中在施工時襯砌厚度140毫米是最優參數，此后再增加襯砌厚度對巷道穩定性影響較小。

巷道的結構穩定性隨著錨間距增加而逐漸降低，巷道的穩定可靠度也隨著錨間距增加而逐漸降低。當軟質巖巷道錨間距增加至600毫米時，結構可靠度達到0.9908，繼續增加至700毫米時，結構可靠度降至0.9823，此時已無法滿足巷道施工的穩定性要求和安全要求。

因此，松散巖巷道襯砌厚度設計為140毫米，錨間距設計為600毫米是最優的支護參數方案，可以滿足巷道的穩定性要求和施工安全要求。

4 結語

結果表明：軟質巖巷道襯砌厚度設計為80毫米，錨間距設計為900毫米是最優的支護參數方案；松散巖巷道襯砌厚度設計為140毫米，錨間距設計為600毫米是最優的支護參數方案。這兩種方案均可以滿足巷道施工的穩定性要求和安全性要求。

可靠度分析法在道路、橋梁、鐵路中已經得到了廣泛的應用，但對于礦山巷道支護的參數優選方面還少有研究。對礦山巷道使用可靠度分析方法可以節約施工企業的經濟成本，提高企業施工的安全性并且可以提升施工質量，對巷道支護的設計和施工都有著重要的意義。

這種可靠度分析的方法改變了原有靠施工工人經驗施工的現狀，減少了施工參數的摸索時間，將巷道支護可靠度變成一種穩定的、公認的技術指標，對巷道支護的工藝參數進行優選設計，無疑是一項非常有價值的科學研究，具有較高經濟價值和社會意義。