基于可靠度的巷道锚喷支护设计探讨-论文.pdf

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1、2015年第7期西部探矿工程179基于可靠度的巷道锚喷支护设计探讨王长友，郑忠友，华召文，宋立平(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安710054)摘要：介绍了基于可靠度的巷道锚喷支护设计的基本原理、计算模型和求解方法，并通过设计实例证明了该方法的可行性。对锚喷支护设计方法的探讨和研究有利于可靠度理论在煤矿巷道支护设计中的应用和推广，并为煤矿井下巷道支护设计由工程类比向数值计算过渡提供了一种方法和思路。关键词：可靠度；巷道；锚喷支护中图分类号：TD352文献标识码：A文章编号：1【)04—5716(2015)07—0179—03我国的煤矿井下巷道锚喷支护方法及理论研究

2、在新中国成立以来得到了长足发展，从简单的工程类比逐渐向以数值计算为核心的位移反馈设计、松动圈支护荷载设计过渡。进入20世纪90年代又先后出现了锚网耦合设计和关键部位二次耦合设计等方法。巷道支护设计与施工初步形成了一套比较成熟的定性、定量计算和施工位移反馈相结合的动态综合设计程序。但基于可靠度的极限状态设计方法的探索和研究在煤矿井下巷道支护设计领域的进展较为缓慢，这与我国大力推动《工程结构可靠度设计统一标准》贯彻、执行的政策存在一定的差距。1极限状态设计方法1．1极限状态设计法图1结构体工作状态极限状态设计法是对工程结构可靠性赋予概率的R，荷载效应随机变量表示为S，其概率

3、分布函数分别定义，利用结构体的失效概率来度量结构可靠性的一用(，．)和f(s)来表达，且随机变量R与S相互独立。种设计方法。利用结构可靠性与极限状态关系建立数结构功能函数可以表示为Z=g(R，S)=R—S，则结构学方程，求解结构体设计参数，确定设计方案。结构极失效概率应为：限状态方程通常表示为Z(，，⋯，)一0，其中X。，，⋯，表示结构的基本随机变量。在平面直角=尸<0)=ll(s)()drd=IF()()r<坐标系中，结构体的工作状态以极限状态为边界划分2巷道支护模型构建为可靠和失效2个区域，如图l所示。2．1模型基础理论1．2结构可靠度煤矿井下巷道开挖后，在施工扰动

4、影响下围岩应工程结构可靠性一般是用结构可靠度来度量的。力进行二次分布。当围岩应力超过岩体自身强度极限可靠度定义为在规定的时间内和规定的条件下结构完时，巷道周围将出现塑性区域并产生塑性变形；如果巷成预定功能的概率，一般表示为P。相反，如果结构不道周边围岩的塑性区域扩展有限，随着巷道周边围岩能完成预定的功能，则称其相应的概率为结构失效概径向位移的出现，同岩塑性区域达到稳定平衡状态，巷率，一般表示为舭通常结构的抗力随机变量表示为道同岩没有达到承载能力的极限值；但如果围岩塑性收稿日期：20l4—07一O3第一作者简介：王长友(1977一)，男(汉族)，黑龙汀逊克人，高级T程师，

5、现从事矿井设计丁作。180西部探矿工程2015年第7期区域继续扩展，巷道周边围岩将出现破坏区域，则必须兀刚度。采取工程支护措施约束围岩变形运动的发展，才能保锚喷支护系统中岩石拱和锚杆的结构抗力可以根据证巷道围岩处于稳定状态，围岩应力与支护体间作用新奥法(NATM)的承压拱理论进行求解，作用荷载则可关系如图2所示。依据塑I生小变形理论来确定。本文不再进行具体叙述。巷道锚喷支护可靠度计算主要是依据结构力学建3支护参数求解立起来的，分别对混凝土喷层、金属网、锚杆(锚索)、型3．1基本原则及方法钢支架、巷道围岩等支护子系统进行可靠性分析。作用国际标准《结构可靠性总原则》中给的构

6、筑物寿在支护系统上的荷载要根据各支护结构成分的刚度不命期总费用：同来各自分担不同部分。每个支护子系统的变形是由C—C6+C+>：P，，该子系统的复合结构抗力(尺)和作用在该支护子系统上式中：C、C、C厂一构筑物的建造成本、维护费用和失的荷载(s)决定的。支护系统的极限破坏状态阈值即为效费用；各支护子系统的极限状态。因此，选择适宜的计算理论尸广一寿命期的失效概率。费用总和包括了构筑确定锚喷支护系统复合结构抗力和围岩作用荷载计算物全部失效模式(模式是独立分成的)。对于巷道锚喷是建立巷道支护模型本构关系的关键。本文结合应用支护系统而言，、、(-则分别为巷道初期支护成本、实例的

7、地质特I生，分别采用复合变形协调理论和修正后维检费和支护失效造成的损失。的塑性小变形理论进行支护系统抗力和荷载计算。上述公式中，巷道支护成本表示为锚喷支护系统目标失效概率的函数，若利用常规计算模型进行求解难度非常大。因为巷道支护系统的初期支护成本实际上与具体的支护设计方案有直接关系，在给定同一目标失效概率的情况下，可以设计出多种支护方案，由于支护参数的不同，其成本也不尽相同。本文结合“投资一效益”准则，从经济观点出发，采用两阶段优化的方法进行求解。该方法先基于功能水平优化确定可靠性的目标水准(即目标失效概率[P／_)，截切再对支护方案进行