環(huán)境再造采場人工假頂可靠性分析

郭 霆，黃曉毅，付碧峰，楊平偉，唐鳴東

環(huán)境再造采場人工假頂可靠性分析

郭 霆1，黃曉毅1，付碧峰1，楊平偉1，唐鳴東2

(1.陜西冶金設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083)

人工假頂?shù)姆€(wěn)定對環(huán)境再造采場的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，而首層充填厚度和采場跨度又直接影響著人工假頂?shù)姆€(wěn)定性。以某地下礦山為工程實例，借助帕羅黑莫可靠性理論，研究人工假頂?shù)目煽砍潭龋瑢τ绊懭斯ぜ夙敺€(wěn)定的兩個因素（首層充填厚度和采場跨度）進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在首層充填厚度為4.75 m的條件下，采場跨度為4~6 m時，人工假頂?shù)姆€(wěn)定性較好，為環(huán)境再造采場實現(xiàn)安全回采提供了保障。

帕羅黑莫可靠性理論;環(huán)境再造采場;人工假頂;可靠概率;可靠度指標(biāo)

0 引 言

環(huán)境再造采場的關(guān)鍵是構(gòu)筑人工假頂作為頂部支撐，承載上部應(yīng)力荷載，從而保證回采環(huán)境的安全穩(wěn)定。但由于環(huán)境再造采場是一個由周邊破碎圍巖、充填體及人工構(gòu)筑支護(hù)假頂?shù)木C合體[1-6]，使得再造采場所處地質(zhì)環(huán)境均較為復(fù)雜，周邊巖體力學(xué)性質(zhì)因回采擾動也會發(fā)生較大變化，因此，研究所構(gòu)筑的人工支護(hù)體能否實現(xiàn)預(yù)定的功能是十分必要的[7-8]。

一般在研究地下結(jié)構(gòu)的可靠性時，往往引用較為主觀的安全系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定性分析及可靠性設(shè)計，這種較為經(jīng)驗化的安全系數(shù)引入并不能深入分析地下構(gòu)筑物影響因素之間的相互關(guān)系，各因素間隨機(jī)、非線性的特點也使得這種安全系數(shù)法所得出的可靠性結(jié)果不夠科學(xué)。隨著學(xué)科領(lǐng)域交叉發(fā)展，借助數(shù)理統(tǒng)計、概率分析理論去研究地下構(gòu)筑物的可靠性理論更具有工程指導(dǎo)價值，也更為科學(xué)。本文借助帕羅黑莫可靠性理論，對影響人工假頂穩(wěn)定的兩個因素進(jìn)行了分析、研究，得出合理的首層充填厚度和采場跨度。

1 工程概括

某礦環(huán)境再造采場一般高度為10.0 m，礦體平均厚度為3.5 m，礦體較破碎。該礦對首層的充填要求為在使用分級粗尾砂澆筑首層充填面時，灰砂比為1:3，其3 d強(qiáng)度＞3.0 MPa，28 d強(qiáng)度在5 MPa左右。由于環(huán)境再造試驗采場四周均已回采，充填假頂上部為間柱采場。在首層充填后，回填一定高度的廢石，假頂上部的應(yīng)力有人工假頂?shù)淖灾亍⒊涮铙w及上部回填廢石的荷載，首層充填厚度擬采用4.75 m。環(huán)境再造采場假頂受力分析如圖1所示。

圖1 環(huán)境再造采場假頂受力分析

2 環(huán)境再造人工假頂可靠性分析

圖2 帕羅黑莫求解可靠度指標(biāo)流程

2.1 人工假頂可靠性分析

參考文獻(xiàn)[9]，人工假頂?shù)姆€(wěn)定性判別式為：

式中，為充填體容重，kN/m3；v為巖體的完整性指數(shù)，可由《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》獲得相應(yīng)值；極為充填體的極限抗拉強(qiáng)度，MPa；為相關(guān)安全系數(shù)，一般的彈塑性力學(xué)中=1.5～2.0。

將式（1）進(jìn)行移相變換，得人工假頂?shù)臉O限狀態(tài)方程()：

當(dāng)()>0，環(huán)境再造采場人工假頂為可靠狀態(tài)；若()<0，人工假頂處于失穩(wěn)狀態(tài)；()=0，人工假頂處于平衡極限狀態(tài)。

結(jié)合式（2），影響環(huán)境再造采場穩(wěn)定性的主要因素有充填體的抗拉強(qiáng)度、充填體容重、采場巖體的完整性指數(shù)、采場跨度及人工假頂?shù)氖讓映涮罡叨取？紤]現(xiàn)場假頂首層充填的非均值性，接頂情況的不確定性、環(huán)境再造采場的幾何不規(guī)則等特點，選擇上述5個因素作為可靠性分析的隨機(jī)變量。查閱文獻(xiàn)充填體的極限抗拉強(qiáng)度為對數(shù)正態(tài)分布，其他幾個影響因素服從正態(tài)分布，均值及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計量如表1所示。

表1 影響因素均值及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計

由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布規(guī)律可知，人工假頂?shù)目煽扛怕逝c可靠度指標(biāo)為正相關(guān)關(guān)系，可靠概率(≤100%)越大，可靠度指標(biāo)(≤4.9)也隨之增加，即表明人工假頂?shù)目煽砍潭群茫鼮榘踩€(wěn)定。

目前，國內(nèi)并無地下采礦的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，評估指標(biāo)多借鑒其他工程領(lǐng)域。環(huán)境再造采場的服務(wù)針對性更強(qiáng)，屬于典型的臨時構(gòu)筑工程，可靠度指標(biāo)要求可有所降低。參考文獻(xiàn)[10-13]，可靠度指標(biāo)取2.5（可靠概率99%）為臨界值，即可滿足要求。通過迭代求解，所設(shè)計的人工假頂?shù)目煽扛怕蕿?9.21%，相應(yīng)的可靠度指標(biāo)為2.83。由此可知，在采場跨度為4 m，首層充填厚度為4.75 m時人工假頂處于可靠狀態(tài)，可以有效地支撐上部充填層。

2.2 影響人工假頂穩(wěn)定因素的關(guān)系分析

在采場跨度一定的條件下，首層充填厚度與人工假頂可靠度指標(biāo)及可靠概率的關(guān)系如圖3所示。在首層充填厚度一定的條件下，采場跨度與人工假頂?shù)目煽慷戎笜?biāo)及可靠概率見圖4。

圖3 首層充填厚度?可靠度指標(biāo)、可靠概率曲線

圖4 采場跨度?可靠度指標(biāo)、可靠概率曲線

由圖3可知，人工假頂?shù)目煽扛怕逝c可靠度指標(biāo)的變化趨勢大體一致，兩者均隨著首層充填厚度的增加而增大。在首層充填厚度為4.5 m時，此時人工假頂?shù)目煽扛怕蕛H為95.67%，可靠度指標(biāo)值為2.46，采場處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)首層充填厚度為4.5 m時，此時人工假頂無法承受上部荷載，發(fā)生破壞，導(dǎo)致整體失穩(wěn)[5, 8, 10]。但隨著首層充填高度的增加，人工假頂?shù)某涮畛杀疽搽S之增加，在經(jīng)濟(jì)上不合理。首層充填為4.75 m時，在較小的首層充填厚度條件下，能夠確保人工假頂?shù)陌踩?jīng)濟(jì)合理。

將采場跨度作為單一因素變量分析時，人工假頂?shù)目煽啃灾笜?biāo)及可靠概率變化趨勢相同，二者隨采場跨度的增大而降低。采場跨度為4.0 m時，人工假頂?shù)目煽扛怕蕿?9.21%，可靠度指標(biāo)為2.83，滿足臨時性工程的可靠性要求。在采場跨度達(dá)到10 m時，人工假頂處于臨界狀態(tài)，其可靠性概率為99.03%，可靠度指標(biāo)為2.48，人工假頂發(fā)生破壞。為確保采場的安全生產(chǎn)，減小暴露面積和采場頂部的彎矩是關(guān)鍵。為實現(xiàn)環(huán)境再造采場的安全高效生產(chǎn)，推薦采場跨度為4～6 m。

3 結(jié) 論

本文借助帕羅黑莫法，在擬采用的首層充填厚度條件下，分析了人工假頂?shù)目煽啃浴Ｔ谑讓映涮詈穸葹?.75 m時，人工假頂?shù)目煽啃灾笜?biāo)為2.83，可靠概率為99.21%，滿足安全要求。在首層充填厚度一定時，不斷擴(kuò)大采場的跨度，人工假頂?shù)目煽啃灾笜?biāo)及可靠概率均呈現(xiàn)下降趨勢，在采場跨度達(dá)到10 m時，人工假頂失穩(wěn)。因此，本文推薦在首層充填厚度為4.75 m的條件下，采場跨度4～6 m時，人工假頂處于穩(wěn)定狀態(tài)，為環(huán)境再造采場的安全生產(chǎn)提供了保障。

[1] 朱建明,江汪龍.小窯采空區(qū)人工充填關(guān)鍵層厚度分析[J].金屬礦山, 2013, 43(3):21-24.

[2] 陳 敏.厚松散薄基巖煤層密實充填開采的覆巖移動破壞變形規(guī)律研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2016.

[3] 曾令義,潘 冬.崩落法轉(zhuǎn)充填法隔離層安全厚度的確定[J].礦冶工程, 2015, 35(4):17-20.

[4] 朱俊寧,趙周能,張志貴,等.某銅礦分段空場嗣后膠結(jié)充填法人工假頂厚度計算及分析[J].有色金屬(礦山部分), 2017,69(6).

[5] 徐 恒,王貽明,吳愛祥,等.基于尖點突變理論的充填體下采空區(qū)安全頂板厚度計算模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2017, 36(3): 579-586.

[6] 劉生優(yōu).軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律及水砂防控技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué), 2017.

[7] 徐 平,周躍進(jìn),張敏霞,等.厚松散層薄基巖充填開采覆巖裂隙發(fā)育分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2015,32(4):617-622.

[8] 姜立春, 趙東利. 基于簡支梁與Paloheimo法的殘礦采場頂板可靠性分析[C]//全國巖石破碎工程學(xué)術(shù)大會, 2014.

[9] 陳鑫源,朱永建,余偉健.錨桿支護(hù)巷道頂板穩(wěn)定性動態(tài)可靠性分析[J].礦業(yè)工程研究, 2014(3):6-10.

[10] 朱必勇,潘 懿.地下采場頂板節(jié)理巖體的可靠性分析及應(yīng)用[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2014,34(7):20-22.

[11] 張能榮.基于層次分析法中厚煤層采煤工藝可靠性分析[J].煤炭與化工,2017,40(5):44-46.

[12] 趙東利.復(fù)雜破碎殘礦回采結(jié)構(gòu)模型及可靠性分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[13] 何滿潮,孫曉明,蘇永華,等.巖體工程穩(wěn)定可靠性模型的擬合方法[J].采礦與安全工程學(xué)報,2001(4):1-3.

(2018-10-25)

郭 霆(1989—)，男，陜西榆林人，工程師，碩士研究生，從事礦山工程設(shè)計，Email:csuguoting@sohu.com。