王月良

河北中煤四處礦山工程有限公司 河北邢臺 054000

近年來，隨著我國煤礦高產(chǎn)、高效技術的快速推廣和應用，煤炭資源長時間的高強度開采，一些賦存條件較好，開采較易的煤層已接近枯竭，煤炭資源開采深度也逐漸增加。與淺部煤層相比，深埋煤層原巖應力較高，巷道開挖后能夠引起較大的應力集中，并且由于埋深增加，巷道不僅在剛剛開挖后變形較大，同時圍巖變形的蠕變效應也較為明顯。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(jù)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(qū)別是研究對象為單個結構和多個結構的區(qū)別，或者是一個失效情形或者多個失效情形的區(qū)別。在地下開采的實際施工過程中，巷道的穩(wěn)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(jīng)濟效益也有著非凡的意義。

1 結構可靠度分析的原理

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(shù)量的概念，用于描述可靠性多少的數(shù)量概念。結構的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和逐漸破壞極限狀態(tài)，承載能力極限狀態(tài)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(fā)生形變，超過某個承載時就會發(fā)生形變，此時的承載被稱作承載能力極限狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)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(shù)和使用指標的極限狀態(tài)。逐漸破壞連續(xù)狀態(tài)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(xù)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(tài)方程來描述結構的極限狀態(tài)，作為一種關鍵的依據(jù)廣泛應用于各種結構可靠度的分析當中[1]。

2 軟巖巷道特征及支護困難的原因分析

2.1 軟巖巷道特征

（1）來壓快，自身穩(wěn)定的時間短。自身穩(wěn)定時間是圍巖在無支護狀態(tài)下從暴露到失穩(wěn)冒落的時間。自穩(wěn)時間和地壓大小以及圍巖強度有著直接的關系，并且也會受到位置、巷道形狀以及掘進方法的影響。軟巖巷道自穩(wěn)的時間很短，一般幾十分鐘到幾個小時即可，且來壓快，需要超前支護或者是及時支護。

（2）圍巖的變形量較大，并且持續(xù)時間長。一般來說，當軟巖巷道掘進1-2天，就會達到10-20mm的變形量，并且變形的時間長達25-60天，甚至超過半年。就算是選擇了支護措施，依舊會有個別軟巖巷道出現(xiàn)較大的變形量。

（3）圍巖四周來壓底鼓明顯。針對相對堅硬的巖層，圍巖對于支架造成的壓力來源于頂板和兩幫，但是軟巖巷道之中是四周來壓，其底鼓較為明顯。這主要是因為松軟巖層本身的結構疏松、強度偏低，無法支撐覆巖層的重量。

2.2 軟巖巷道的支護

首先，軟巖巷道本身的圍巖成巖的年代晚，其膠結程度較差，這樣就很容易讓煤層的頂板和底板出現(xiàn)破壞，進而風化。

其次，煤礦之中存在泥巖、砂質泥巖等軟巖，其本身的強度較低，主要表現(xiàn)在圍巖松散軟弱，一旦受到的應力水平較高，就會出現(xiàn)極大的變形，進而影響巷道的支護。

最后，巖體破碎、節(jié)理發(fā)育。部分礦區(qū)雖然巖石強度較高，但是考慮到節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，就很容易表現(xiàn)軟巖特征，并且支護也非常的困難。

3 大變形控制支護方案

工程實踐表明，對于深部軟巖巷道工程，無論是新開、還是實施了多次支護的翻修工程，其破壞總是從某一個或幾個部位開始變形、損傷，進而導致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)。通過實驗發(fā)現(xiàn)巖體及巖層結構面是引起巷道圍巖強度降低、產(chǎn)生非對稱大變形破壞的主要原因，對于結構面的控制是非對稱支護設計的關鍵。

巷道圍巖變形破壞過程中首先破壞的部位，稱之為關鍵部位。關鍵部位產(chǎn)生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護體與圍巖變形不協(xié)調而引起的。通過支護的耦合而使其變形協(xié)調，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實現(xiàn)支護一體化、荷載均勻化，達到巷道穩(wěn)定的目的[2]。

4 巷道支護結構完善措施

4.1 軟質巖巷道支護參數(shù)優(yōu)選

巷道支護是煤炭開采行業(yè)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(huán)節(jié)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(yè)的產(chǎn)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(wěn)定性隨著襯砌厚度增加而逐漸提高，巷道的穩(wěn)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(wěn)定性要求和安全要求，繼續(xù)增加巷道厚度時，穩(wěn)定性指標已經(jīng)趨于平穩(wěn)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(wěn)定性增加量微乎其微[3]。

巷道的結構穩(wěn)定性隨著錨間距增加而逐漸降低，巷道的穩(wěn)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(xù)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(wěn)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(yōu)的支護參數(shù)方案。

4.2 聯(lián)合支護巷道變形特征

根據(jù)巖體結構面分布特征及關鍵部位破壞特征對支護方式進行了優(yōu)化，提出注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護的方法，對巷道頂?shù)装暹M行全斷面支護。注漿錨桿直徑22mm，長3m，大變形錨索直徑15.24mm，長6m，間距均為800mm，排距均為1000mm。底角錨桿直徑48mm，長3700mm，角度為45°，間距排距與注漿錨桿相同。聯(lián)合支護后的巷道未發(fā)現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。頂?shù)装逡矝]有出現(xiàn)塊體掉落及滑移現(xiàn)象，整體巷道支護效果良好。根據(jù)巷道頂板位移云圖可以得到巷道開挖支護后，斷面下沉量小于0.15cm。巷道變形被控制在有效范圍內。巷道累積變形量在剛開挖時有一定增加，但在小于0.15cm時由于聯(lián)合支護作用保持穩(wěn)定，沒有持續(xù)增加，巷道變形量被控制在很小的范圍內。巷道可以維持長期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。

4.3 錨桿錨固形式的確定

按照錨固長度的差異，將錨固劃分為全長錨固、加長錨固以及端頭錨固3個方面。經(jīng)過相應的分析，全長或者是加長錨固錨桿支護系統(tǒng)的優(yōu)點要明顯高于端頭錨固錨桿。一般在頂板相對完整穩(wěn)定，并且應力偏小的巷道之中可以選擇端頭錨固錨桿的方式；如果地形條件復雜，并且操作困難，則可以考慮全長錨固或者是加長錨固。針對裂隙、節(jié)理以及層理十分發(fā)育受到采動影響的動壓巷道，端頭錨固錨桿本身的適應性較差，所以就應該選擇全長以及加長的錨固錨桿支護系統(tǒng)。針對本次的2#煤巷的實際情況，選擇加長錨固的方式進行支護操作。

4.4 錨桿預緊力的確定

（1）盡量增加安裝錨桿的預警扭矩。按照錨固劑的力學性能、錨桿桿體材料、鉆孔與錨固劑之間的粘結特性，在允許的前提下，錨桿預緊可以選擇大扭矩扳手、氣動扳手或者是大扭矩錨桿鉆進來進行操作。（2）確保錨桿尾部的螺母與螺紋之間的光潔度，盡可能的減少摩擦當量角。通過錨桿加工工藝的控制，或者是在螺紋段落涂抹潤滑油脂，就可以滿足其光潔度的要求。（3）降低錨桿螺母與球墊以及托盤之間的摩擦力?？紤]到螺母和球墊以及托盤之間可能會有水平摩擦力的存在，進而形成摩擦扭矩，就需要將施工機具提供的預緊扭矩消除，降低錨桿預緊力。所以可以利用尼龍墊圈的設置，就能有效降低摩擦阻力?；谏鲜龅姆治?，提升巷道圍巖穩(wěn)定性可以選擇增加錨桿預緊力的方式進行，但是考慮到錨桿螺紋加工精度較低、可回收錨桿承載能力低以及施工機具等方面的條件限制，再結合本煤礦的基本情況，施工之中只能夠要求：工作幫的玻璃鋼錨桿預緊扭矩需超過150N·m；而非工作幫錨桿或者是巷道的頂板，預緊扭矩必須超過200N·m。

5 結語

綜上所述，可靠度分析法在道路、橋梁、鐵路中已經(jīng)得到了廣泛的應用，但對于礦山巷道支護的參數(shù)優(yōu)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(jié)約施工企業(yè)的經(jīng)濟成本，提高企業(yè)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。