基于可靠性的锚杆支护设计理论与应用研究.pdf

辽宁工程技术大学 博士学位论文 基于可靠性的锚杆支护设计理论与应用研究 姓名李东 申请学位级别博士 专业采矿工程 指导教师马云东 20041201 摘要 锚杆支 护 在很 多矿 区得 到迅速推 广 ，其结构形式 也在 不断的 推陈 出新， 但 由于缺少对锚 杆支护 系统 中存在 的大量不确定性信 息或未确 知信 息 的研 究 ，在 实 际施工 中虽然一 些矿 井对锚杆支护 后的巷道进行 了观测 ，但没能从理论上提 出科学合理地利用这些 数据的模 型 ，更没 能很好 地起 到对后续施工及新 开巷道支护设计 的指导作用 ，因此 ，在 当前锚杆支护作用机理 尚未完全清晰的前 提下 ，研 究合理 的锚杆支护设计程序 ，建立数学与力学相结合、 理论分析及数值模拟与工程实测相结合的锚杆支护设计方法，对 于推广锚杆支护方式和确保锚杆支护巷道的安全可靠 ，具有重要 的理论意义和 实用价 值 。 本文在 己有成果的基础上 ，利用工程软设计理论和结构可靠 性理 论系统地研 究 了巷道锚杆 支护设计 的有关 问题 ，提 出了锚杆 支护巷道围岩应力与锚杆支护抗力的预测与辩识模型、锚杆支护 巷道 围岩 稳定 的基 本判据 与极 限状态 方程 ，改进 了蒙特 卡罗方 法，建立了巷道锚杆支护可靠性计算方法和基于极限平衡的锚杆 支护巷道可靠性设计理论 。 通过 本文 的研 究 建立 起 基 于可靠性 的巷道锚 杆支 护动态设 计理论，开发 出相应 的计算机辅助系统，并结合五虎 山煤矿实际 进 行 工 业 试 验 和 验 证 。 关 键 词 煤矿巷道锚杆支护可靠性设计改进的蒙特卡罗 方法R F P A数值 模拟极 限状 态分析 ABS TRACT A n c h o r i n g s u p p o r t i s r a p i d l y p o p u l a r i z e d o n ma n y mi n i n g a r e a s . I t s s t r u c t u r e f o r m i s c o n s t a n t l y w e e d i n g t h r o u g h t h e o l d t o b r i n g f o r t h t h e n e w . B u t b e c a u s e l a c k a l a r g e a mo u n t o f u n c e r t a i n i n f o r ma t i o n o r r e s e a r c h o f u n k n o w n i n f o r ma t i o n t o a n c h o r i n g s u p p o r t s y s t e m. T h o u g h s o me mi n e o b s e r v e a n c h o r i n g s u p p o r t t u n n e l w h i l e c o n s t r u c t i n g a c t u a l l y , f a i l t o s c i e n t i f i c a l l y a n d r a t i o n a l l y p r o p o s e t h e mo d e l s o f u t i l i z i n g t h e s e d a t a f r o m t h e o r e t i c a l l y , a n d e v e n m o r e f a i l t o w e l l p l a y t h e g u i d a n c e f u n c t i o n t o d e s i g n i n g o f f o l l o w- u p c o n s t r u c t i n g a n d n e w l y o p e n e d t u n n e l T h e r e f o r e , b a s e o n t h e p r e mi s e t h a t a n c h o r i n g s u p p o r t f u n c t i o n me c h a n i s m n o t t o t a l l y c l e a r y e t a t p r e s e n t , a n d s t u d y t h e r a t i o n a l a n c h o r i n g s u p p o r t d e s i g n p r o g r a m, a n d s e t u p d e s i g n me t h o d o f a n c h o r i n g s u p p o r t t h a t ma t h e ma t i c s c o mb i n e wi t h me c h a n i c s , t h e o r y a n a l y s i s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n c o m b i n e w i t h p r o j e c t s u r v e y . i t h a s i mp o r t a n t t h e o r y m e a n i n g a n d p r a c t i c a l v a l u e f o r p o p u l a r i z e a n c h o r i n g s u p p o r t wa y a n d g u a r a n t e e s a f e a n d r e l i a b l e t o a n c h o r i n g s u p p o r t t u n n e l . T h e a u t h o r u t i l i z e d t h e s o f t p r o j e c t d e s i g n t h e o r y a n d s t r u c t u r e r e l i a b i l i t y t h e o r y t o s t u d y s y s t e ma t i c a l l y t h e p r o b l e ms o f a n c h o r i n g s u p p o r t d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f a l r e a d y h a v i n g t h e a c h i e v e m e n t , p r o p o s e d p r e d i c t i n g a n d d e b a t i n g t h e m o d e l o f k n o w i n g f o r a n c h o r i n g s u p p o r t t u n n e l c o u n t r y r o c k a n d r e s i s t a n c e , a n d b a s i c c r i t e r i o n a n d s t a t e e q u a t i o n o f l i mi t f o r a n c h o r i n g s u p p o r t c o u n t r y r o c k , i mp r o v e d t h e m e t h o d o f Mo n t e C a r l o , a n d s e t u p r e l i a b i l i t y c o mp u t i n g me t h o d a n d r e l i a b i l i t y d e s i g n t h e o r y o n t h e b a s i s o f l i mi t b a l a n c e d f o r a n c h o r i n g s u p p o r t t u n n e l T h i s t e x t s e t u p a n c h o r i n g s u p p o r t d y n a m i c d e s i g n t h e o r y o n t h e b a s i s o f r e l i a b i l i t y t h r o u g h t h e r e s e a r c h , d e v e l o p e d t h e c o r r e s p o n d i n g c o mp u t e r a c c e s s o r y s y s t e m, a n d c a r r i e d o n t h e i n d u s t r i a l t e s t a n d p r o v e c o mb i n i n g F i v e T i g e r Mo u n t a i n mi n e a c t u a l l y K e y Wo r d s m i n e t u n n e l ，a n c h o r i n g s u p p o r t , r e l i a b i l i t y d e s i g n , i mp r o v e d t h e me t h o d o f Mo n t e C a r l o , R F P A n u me r i c a l s i mu l a t i o n , s t a t e a n a l y s i s o f l i mi t 创造性成果声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果 利用1程软设计理论和结构可靠性理论系统地研究了巷道锚杆 支护设计的有关问题， 建立了基于可靠性的巷道锚杆支护动态设计理 论， 通过对锚杆支护巷道围岩应力的分析， 建立了荷载确定和锚杆支 护抗力预测与辩识的数学模型， 开发了基于可靠性的巷道锚杆支护动 态设计计算机辅助系统。 尽我所知， 到目 前国内外文献未见报道。 憾 豁 、 ” 习落云 I 辽宁工程技术大学博士论文 1绪论 1 . 1 锚杆支护 的发展历史与现状 在煤矿巷 道支 护 中 ，锚杆 支护与传统 的棚式支护相 比，具有 显著的技术与经济 优 越性 ，现 己发展成 为世界各 国矿井巷道 以及 其它地下工程支护 的主要 形式之 一 。 早在 4 0年代 ，美 国、前苏联就 已在井下巷道使用 了锚杆支 护 ， 以后在煤矿 、金属矿 山、水利 、隧道 以及其它地下工程 中迅 速 得 到 了应 用 和 发 展 。特 别 是 美 国 、 澳 大 利 亚 等 国 ， 由于 煤 层 埋 藏 条 件 好 ，加 之 锚 杆 支 护 技 术 及 其 辅 助 施 工 设 备 不 断 发 展 并 日益 成 熟 ， 因而 锚 杆 支 护 使 用 很 普 遍 ， 目前 在 煤 矿 巷 道 的 支 护 比重 中 几乎达到 了 1 0 0 0 在 英 国，1 9 8 7年 以前 ，其煤矿巷道 支护 中 9 0 以上采用金属 支架 ，而且主要是矿工字钢拱形钢性支架 ，由于回采工作面单产 低 、效率低 、巷 道支护 成本 高 ，因而亏损严重 。为 了摆脱煤炭行 业 的这种 困境 ，在巷道 支护 方面 ，积 极发展锚杆支护 ，从澳大利 亚引进 了成套 的锚杆 支护技 术之后 ，吨煤成本 由 7 5英磅 降到 3 5 英 磅 ，支 护 成 本 下 降 了5 0 ，事 故 率 大 幅 度 下 降 ，从 而 扭 转 了过 去的被动局面‘ ” 〕 。 我 国从 1 9 5 6年起 ，在煤矿岩巷 中使用锚杆支护 ，至今 已有 4 0余年 的历史 ，6 0年代锚杆支护 开始 进入采 区。“九 . 五 ”期间， 原煤炭 工业部将 锚 杆支 护列 为煤炭工业技 术发 展 的五个 项 目之 一 ，经过教学 ，科研 与生产单位的联合攻关 ，煤巷锚杆支护技术 有了较大的提高，煤巷中锚杆支护的应用有了迅速发展，到 1 9 9 8 年 ， 煤巷锚杆支护 比重提高到 了 2 0 . 1 4 . 半煤岩巷中提高 2 9 . 7 4 . 发展煤巷锚杆 支护 是我 国继推行综采后 的第 二次重大支护技术 革命 。给我国煤矿带来 了巨大 的技术经济效益“ 5 ’ 。 回顾 锚 杆 支 护 的 发 展 ， 它 经 历 了 如 下 的 发 展 历 程 1 9 4 5 一 1 9 5 0年 1 9 5 0 一 1 9 6 0年 机 械 式 锚 杆 研 究 与 应 用 广 泛 采 用 机 械 式 锚 杆 ，并 开 始 对 锚 杆 支 护 进 辽宁工程技术大学博十论文 行系统研 究 ; 1 9 6 0 - - 1 9 7 。年 ，树脂锚杆推 出并在矿井得到应用; 1 9 7 0 - - 1 9 8 。年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用，研究 新的设计方法 。长锚索产生; 1 9 8 0 - - 1 9 9 0年 ，混合锚头锚杆、衔架锚杆 、特种锚杆等得到 应 用 ，树 脂 锚 固 材 料 得 到 改 进 ; 1 9 9 0 - - 2 0 0 0年 ，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到 了广泛 的应用 。 煤矿锚杆支护 的发展 ，使矿井中的吨煤成本和巷道的支护成 本显著降低 。巷道推进速度有 了很大的提高 。支护质量和安全条 件得 到了很大的改善 ，找到了煤矿发展的技术途径 。从我国各主 要产煤矿区在煤巷 、半煤岩巷、开拓巷道推广螺纹钢锚杆支护和 在煤层巷道 中推广螺纹钢锚杆加锚索联合支护技术的情况看 ，综 采综放工作面原煤产量、掘进 的单进水平大幅度提 高，事故率大 幅度下降，取得 了巨大的经济效益和社会效益「 ’ ‘ ’ 。 〔 ’ “ ， 。 1 . 2 1. 2. 1 现行锚杆支护设计方法及锚杆支护影响 因素分析 锚杆支护设计方法 综述 锚杆 支护 技 术在矿 山巷 道 中的应 用 已有近 六 十年 的历史 。但 是在巷 道支护 技术 中 ，锚杆 支护技 术并没有 取得 完全 成功 ，还有 很多理论和应用 问题未能很好解 决。 首先 ，在开拓巷道应用锚杆支护技术的较 多，而 回采巷道应 用的相对较少。目前回采巷道采用锚杆支护技术仅 占回采巷道总 数的 3 0 左右，与较先进的国家如英国、澳大利亚等国相差较大。 锚杆支护技术在我 国矿 山巷 道大规模的推 广应用还需一定的时 间‘ ’ . ’ 。 其次，在一个矿井、甚至一个矿区中，无论巷道围岩类别和 条件，大部分采用同一种或几种形式的锚杆支护技术和方法。如 采用同样的锚杆支护参数、同样的锚杆直径和长度 ，造成锚杆支 护技术 的优越性没有彻底发挥其功能。 z 辽宁工程技术大学博士论文 第三 ， 虽然锚杆支护技术在一些矿 山中应用取得 了较大成功， 特别是在一些特殊条件下锚杆支护技术取得 了成功 。但是锚杆支 护 的理论和方法 还不完 善 ，理论研 究落后 于生产 实践 。现有 的锚 杆支护 设计 方法 很 多 ，如基 于 以往 经验和 围岩 分类 的经 验设计 法 ，基 于某种假 说和解 析计算 的理论设计法 ，以现 场 监测数据为 基础的监控设计法 。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法 都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而设计效果不够理 想，有 的限于一定条件下使用 。1 9 9 9年煤科总院开采所康红普研 究员提出了锚杆支护动态信息设计法〔 ’ “ ， ，这一方法具有两大特 点其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程其二，设 计充分利用每个过程 中提供的信息 。该设计方法包括 5部分 试 验点调查和地质 力学评估 ;初始设计 ;井下监测 ;信息反馈和修 正设计;日常监 测 。其中试验 点调查包括围岩强度 、围岩结构 、 地应力及锚 固性能测试等 内容，在此基础上进行地质力学评估和 围岩分类 ，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算 和经验法相结合的方法进行，根据巷道生产条件 、技术要求及实 测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井 下 ，进行详细的围岩位移和锚杆受力监测 ，根据监测结果验证或 修正初始设计。正常施工后还要进行 日常监测 ，保证巷道安全。 该法在阳泉、潞安等矿 区应用后取得较好 的效果 。但 由于该法不 能考虑 到锚杆 支 护系 统 中存在 的大量不确 定性 因素 或未确 知因 素，因此所得结果只能反映系统的平均状态 。 2 0 0 3年 1 2月充矿集团有限公司颁布了 充矿集 团有限公司 煤巷锚杆支护技术规范【 “ ， ，该规范包含管理体制、围岩分类、 支护设计、支护材料 、支护施工、支护监测和工程质量检测等八 个部分。规范提出了锚杆支护设计应采用以实测为基础的动态反 馈设计法，其设计过程包括地质力学评价、初始设计、监测与信 息反馈、修改设计四个步骤。该规范的颁布实施对提高锚杆支护 的科学性 、可靠性和促进锚杆支护技术的推广应用发挥 了良好的 1 辽宁工程技术大学博士论文 作用。但该规范在强调地质力学评价、初始设计和监测与信息反 馈的同时，未能建立起科学合理的修改设计的方法和模型 ，从而 使大量监测数据不能得到很好利用，也不能保证最终得 出的正式 设计的科学性和合 理性 。因此研究建立科学的锚杆 支护设计理论 与方法仍然 是 当前鱼待解 决 的一个重要课题 。 1 . 2 . 2锚杆 支护 影 响 因素分析 〔 9 l 根据理 论分 析 效果的主要 因素有 现场 观测及生产实践证 明影 响 巷道锚 杆支护 1 地质 因素 主要包括 开采深度、地质构造 、原岩应 力 ，巷 道煤岩体强度和节理裂 隙发育程度等 。 2 开采 因素包括 开采方法 、巷道布置方式 、巷 道断面 形状 和 尺 寸 等 。 3 4 随 机 因 素 设 计 因 素 主要包 括 锚杆安装质量、 主 要包括 锚杆设计 参数等 锚杆材 质 等 。 巷道围岩应力受多种因素影响，它不仅取决于地质条件，而 且也取决于生产技术因素 。巷道 围岩变形量是其稳定性 的综合反 映，是地质条件、围岩力学性质和开采方法等因素的综合作用结 果。虽然影响巷道稳定性的因素很多，但是这些因素基本可 以划 分为围岩应力和围岩强度两类。巷道围岩应力包括原岩应力、构 造应力和采掘影响应力 时间的函数三部分。而围岩强度即岩 体强度，是一个复杂问题，需要用数个指标综合来表示。在矿山 工程实践中，一般将岩体强度简化为岩石单 向抗压强度和岩层弱 面共同作用 的结果。 根据巷道矿 山压力显现的一般规律， 采掘影响应力主要由采 动影响的超前支承应力、相邻工作面侧向支撑应力和掘进巷道时 在围岩中产生的应力集中三部分组成。其 中超前支承应力与工作 面老顶运动状态有密切的关系，可把直接顶厚度与采高的比值作 为反映工作面超前支承应力影响的一个指标 。相邻 工作面侧 向支 承应力是 由采动 引起 的顶板运动结果，因此可 以选择护巷矿柱宽 辽宁工程技术大学博士论文 度作 为反 映相邻 _I作 面侧 向支承应 力。巷 道 围岩应力 的集 中程度 与巷道 断面 形状 有 关 ，在巷 道 的拐 角处应 力集 中程度 高 ，剪应力 大 。 巷 道 断 面 拐 角 的 曲率 半 径 愈 小 ，应 力 集 中 程 度 越 大 ， 巷 道 断 面 直 线 段 部 分 则 容 易 产 生 拉 应 力 区 。 巷道 围岩类 别是 影 响巷道 支护质 量 的一个重 要指 标 。目前巷道 围岩类别主要根据 “ R Q D ; 、 “ Q ”和 “ R M R ”方法确定‘ t 5 。对回采 巷道可采用直接 顶初 次垮 落步距 L 来作为反映岩体 完整性 的综 合指标 3 o ， 这一指标与岩石单轴抗压强度 。 、 节理裂隙间距 1 u* P - ,度 h 有 关 ，其 回 归 方 程 见 式 1 . 1 , L二一1 . 5 8 6 . 2 1 h 0 . 0 1 4 7 8 . 9 3 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 1 相关系数为 r 0 . 8 7 . 对 于其他巷 道， 根 据影 响巷道 围岩稳 定性 因素分析 ，依照分 类指标 的确 定原 则 ，选择 以下七项指标作为影响巷道 围岩 稳定性 的评价指标。它们分别是巷道顶板岩石单向抗压强度巷道底 板岩石单 向抗压 强度 ;巷道高度 内岩石抗压强度 巷道埋深;岩 体完整性指数 ;巷道长 度 范 围 内采动影响指标和 相邻 区段 采后影 响 指 标 。 利用上述七项指标具体评价某一巷道 围岩类别时，很少能直 接套用该指标 。一般利用模糊综合评价方法把这七项指标转化一 个综合指标，既巷道围岩移近量来表示。为了简化计算工作量， 利用 模糊 综合 评 判方法 预测 巷道类别 时把各项分类 指标 原始数 据的非线性关系转换为线性关系 。根据各指标与巷道 围岩稳定性 的函数关系，通过变量代换方法把指标的非线性结构转变为线性 结构，达到线性化 目的。 巷 道 围岩 稳 定性 主要表 现 在 围岩强度 与巷 道 围岩 移 近 量 的关 系上 ，但人们主要研究巷道 围岩移近量 。从理论上分析巷道 围岩 强度与巷道围岩移近量之间为复杂函数关系。通过对现场实测资 料 回归分析 ，可 以把巷 道围岩强度与移近量之间的复杂函数关系 简化为基本初等 函数形式见式 1 . 2 0 辽宁z程技术大学博士论文 式 中 W二 A J 石 B . . . . . . 。- - 一 巷 道 围岩 强 度 ; W - - 一 巷 道 围岩 移 动 量 A . B - 一 系数。 这样就把复杂的非线性函数关系转化为线性函数 ，以便利用模糊 综合评价方法确 定巷道围岩类别 。 影响巷道锚杆支护效果的指标较 多，但是根据研 究重点和实 际经验 ，一般考虑几个主要影响指标。它们主要是 “巷道 围岩压 力” 、“ 巷道围岩变形量 ” 、“ 锚杆予紧力”和 “ 锚杆的支护能力” 四项 指标 。 巷道 围岩应力表示如下 s t s , . s 2 . s , t . . . . . . . . . . . . 1 .3 式中S t 一 一巷道 围岩应力 S , 、 S - S 。 一 一 分别 为 “原 岩 应 力 ” 、“松 动 应 力 ”和 “采 掘 影 响 应 力 ”. 锚 杆锚 固力 是巷道 锚杆支 护 可靠性 设计 另一项 主要指标 ，而 锚杆的予紧力和锚杆支护能力统称为锚杆 的锚固抗 力 材质 、锚杆设计参数和锚杆施工条件等综合因素影响 它 受 锚 杆 是 一 个 随 机变量。锚杆支护抗力与上述有关因素的函数关系见下式 R t Y E r D g ED k , t . . . . . . . . . . . . . 1 .4 式中R t 一 一 一 一锚杆支护抗力; y - - - - 一 锚杆 的予 紧力 ; k } t - - - - - 一锚杆实际支承能力 - - - - - 一巷道围岩变形引起 的锚杆支护能力 - - - - - 一巷道围岩节理裂隙有关参数 。 从以上分析可 以看出，影响巷道锚杆支护质量的因素很多， 且这些因素大部分具有一定的随机性和模糊性，这给锚杆支护理 论研究和实际应用带来很大的困难。理论上讲影响巷道锚杆支护 可靠性的所有因素在某种程度上都具有一定的随机性，都可以把 辽宁工程技术大学博士论文 这些 因素看作随机变量或随机过程。但是每个 因素对巷道锚杆支 护 可 靠 性 影 响 的程 度 不 同 ，且根 据研 究 的需 要 或 研 究 重 点 的不 同，同时也 为 了减 少工 作量 ，人们往往选择 最具有代 表 性或影响 程度最大 的随机 变 量或 随机 过程 作为研 究对 象 。在矿 井 实践 中， 人们最关心 的是 反映巷道 围岩 应力和锚杆抗 力这 两个 随机变量。 从 巷 道 围岩 应 力 来 看 ， 由于 巷道矿 山压 力显 现 规律 受 多种 因 素影响 ，这些 因素 既有地 质 因素 、又有开采 因素和锚杆 安装工艺 等因素影响 ，同时很 多因素具有不确定性和随机性 。传 统上一般 把矿 山压力显现与巷道支护分开进行研究 、或进行 定性研究，没 有进行 系统整 体性 的研 究 。 从锚杆抗 力来 看， 根据锚杆支护理论 ，锚杆 在一定的范 围内 能限制巷道 围岩 的变 形量 。随着矿 山压力 的变化 ，巷 道 围岩产生 一定的变形 ，引起锚杆支承能力的进一步增加 ，同时锚杆支护抗 力又限制了巷道 围岩的变形 。锚杆和巷道围岩变形在 一定范围内 是一个相互作用 、相互制约的 自适应过程 。所 以从系统工程的理 论和方法来看 ，巷 道 围岩变 形和锚杆支护抗 力应 该看 作是一个整 体 自适应过程 自组织过程 。巷道围岩变形具有主动性 ，而锚 杆支护在一 定范 围 内具有 被动性 ，锚杆必须适应巷道 围岩变形的 要 求 。 因此如何充分考虑锚杆材料性能、设计参数、围岩应力和施 工工艺等随机性 问题 ，建立起 能够合理地描述和研 究模糊随机环 境下矿 并支护 设计 问题 的理论 与方法 己成 为一个 鱼待解 决重要 课 题 。 1 . 3矿井支护工程 的特点与锚杆支护可靠性设计 问题的提 出 1 . 3 . 1矿井支护工程的主要特点 1 矿井支护设计采用安全系数方法〔 ， ‘ 〕 。 长期 以来，矿井支护设计是利用安全系数 的方法来表示支护 结构的安全性。但是安全系数也存在一个最大缺陷，即没有考虑 工程条件的不确 定性与模糊性等影响因素，使安全系数在矿井支 辽宁工程技术大学博士论文 护可靠性研究 中失去一定的理论意义 ，并不能向设计者提供完全 有效 的信 息 。 赵 国藩 院士 指 出 以安 全 系 数 为标 准 的可 靠 性 设 计 一般 称 为 I 类设计方法‘ 3 ，而 以概率与统计为基础的可靠性设计称为I I 类 设计方法 ，且 I I 类 设计方法 比 I类设计方法更先进 ，是 目前工程 可靠性设计理论 的发展方 向。国际标准化 组织 己把 结构可 靠性 设 计纳入到 I S 0 2 3 9 4 1 9 9 8 标准 中，并作 为 “ W T O ”成 员 国的一 项通用的设计标准 ，所 以我 国一些行业 己把 “结构可靠性设计 ” 作为行业设计的统一标准。但是矿山行业在这方面的研究工作起 步较晚 ，研究的时间短，己落后其他行业十几年 的时间 ，不适应 科学技术发展方 向和入世后 I S O系列的需要 。 及-尽 凡R t I S t 式中K , - - 一安全系数 ; R , - - 一锚杆抗立 5 1 - - 一围岩应力 由式 2 . 1 可见安全系数 K仅与锚杆支护抗力 R t 及巷道 围 岩应力 S t 的平均值有关，不能完全反映巷道 围岩与锚杆支护系 辽宁工程技术大学博士论文 统的可靠性。假设锚杆支护抗力和巷道围岩应力均服从正态分布 如图 2 . 1所示 ，在 图 A与 B两种 情况 下安 全 系数 K , K 2 。从传统方 法 来 看 它 们 的 可 靠 程 度 是 一样 的 ，但 它 们 的 失 效 概 率 却相 差 较 大。而理论分析失效概率与图中阴影部分面积有关 。 F s /了才 、、、 AB 图 2 . 1相 同安全 系数下 的支 护可 靠度 I表明巷道锚杆支护的可靠性不仅 与巷道 围岩应力和锚 J/一Q一 F 杆抗 力 图形面积 的 中心 位 置有 关 ，而 且还 与 它们 的离 散程度有 关 。 巷道锚杆支护可靠性 的原理和方法是根据 “ 结构可靠度 ”原 理而提 出来的，在此基础上发展成巷道锚杆可靠度理论评价、计 算方法 。根据 “结构可靠度 ”理论的可靠性评价指标 ，在巷道锚 杆支护系统 中我们不仅要考虑锚杆支护抗力的平 均值 ，还须考虑 离散程度或变异系数 。在分析巷道锚杆支护不确定性影响因素的 基础上 ，研 究巷道锚 杆 支护系统可靠性设计方法 ，将 很好 地弥补 现行巷道支护设计方法 中存在 的一些不足。 设巷道围岩应力 锚杆支护抗力为随机变量，其样本值分 别为 X 二 x ， ， x ，. 。 。 ， x 二 ， 则它们的平均值 11、方差 。和变异系数 r 可以根据无偏估计方法按下式计算 辽宁工程技术大学博士论文 ; 公 l n 1n - 1郭- ,U Y --一 “ ‘一‘’‘’一 ’一 ”... 2.2 r Q l ,u 样 本 值 可 以通 过井 下 实 际观 测 或 采 取 其 他 方 法 如神 经 网络 方 法 预 测 得 到 。 2 . 1 . 3基于可靠性的巷道锚杆支护动态设计方法 的实施步骤 基 于 可 靠 性 的 巷 道 锚杆 支 护 动 态 设 计 方 法 包 括 试 验 点调 查 和地质力学评估 、初始设计 、综合监测 、信息反馈和修正设计、 日常监测等 5个部分 。示范巷道 的设计是在试验 点调 查和地质力 学评估的基础上，采用 R F P A软件和可靠性分析软件进行多方案 仿真模拟， 利用优化 设计方法确定 出初始设计 ，通 过井下实施初 始设计 ，运用井 下监测手段 提供 的信 息反馈 ，检验 和修 正初始设 计 ，得 到示 范巷 道最终 的优 化设计 结果。综合不 同类 型示范巷道 的优 化 设 计 结 果 ，可 得 到 适 合 某 一 矿 区 的 锚 杆 支 护 设 计 方 法 。 2 . 2锚杆支护巷道 围岩稳定判据 与准则 2 . 2 . 1锚杆支护巷道变形破坏的主要影响因素分析 巷道锚杆支护系统可靠度功能函数的建立 ，依赖于对巷道 围 岩破坏机理 的认 识、破坏模式的识别和定量分析 的方法 。影响巷 道 围岩稳定性的因素很多，这是巷道所处地质条件和工程环境的 不同造成 的，各种影响因素的作用相互交叉 ，所有 的因素可概括 为两大类 ，即地质 因素和生产因素 。但影响巷道 围岩稳定性 的因 素主要有如下 因素 。 1 巷道 的力 学性质 巷 道 开 掘 后 ， 围 岩 不 仅 是 外 部 荷 载 的 传 递 介 质 ， 同 时 还 承 受 外部岩体传递来 的荷载 ，对巷道空间其保护作用 。从这个意义上 讲，巷道的围岩直接起着承载结构的作用。围岩的力学性质是影 响巷道 围岩位移 的重要因素 。反映围岩力学性质 的主要 因素是岩 1 4 辽宁工程技术大学博士论文 体的弹性模量E 、 抗压强度0 -C 和残余强度a C 以及岩体的内摩擦角Y 等。通常情况下，岩体力学性质越好，则岩体的a t 和少 值越大， 反之a G 和少 值越小，的大小直接影响着作为承载结构的围岩的承 载 能 力 。 2 巷道围岩 中的应力 巷道围岩的应力是引起围岩和失稳破坏的根本作用力。地下 岩层 中的 原岩应 力 是 上 覆岩 层 的 自重应 力及 地质 构造 应 力组成 的。设地下岩体内单位尺寸岩体上所受的垂直压力为几，侧压力 分别为P x 和P y 。未受采动影响岩体中的压力几为 P } 声 式中Y -岩石容重，k N I ， , H-上覆岩体 的高度 ， 阴。 根据广义虎 克定律 E e , 在未采动岩中，4 s 0 , 一 P 一 工 P P y 且P x 二 P y ，故 P x P y 功一1 式 中。 为 泊 松 比 。 由上式可看 出，围岩 中的应力与岩体所处的深度成正比。 随着开采深度的增加 ，巷道矿压显现加剧，巷道 围岩移近量 加大，己被大量的矿压观测所证实。图 2 . 2为我国 I S个矿务局 根据巷道矿压观测 结果得 出的采深与巷道顶底板移近率的关系 曲线 。 辽宁工程技术大学博士论文 5 0 M P a 户一 份 ，润 曰，. 一‘ 一 7 0 M P a 5040邹黝100 ︵患目哥卿靡形馒目 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 以 15 0 0右 〔 旧 巷道埋深 川m 图 2 . 2顶底 板移近 率与巷道 埋深 的 关 3 岩 体 的完 整 性 一般岩体程度不 同地含有地质弱面和结构面 ， 如层理 、 节理 、 裂隙、软弱夹层等 。这些弱面和 结构面的存在 ，在很大程度上消 弱了岩体 的完整性 ，降低 了岩体的强度 。在地下工程 中，这些弱 面和 结构 面往往 事 引起 围岩 失稳 的重要 原因之一 。煤矿 生产 中回 采工作面与某些巷道往往处于同一岩层中，工作面顶板冒落的状 况与顶板岩体的完整性有着密切的关系。图 2 . 3 、图 2 . 4是经大 量现场 统计得 到的工作 面 冒落状况 与顶 板岩 层 分层 厚度 和裂 隙 数 目的关系 。从 图中可看 出，工作面后方 冒落 的高度随顶板裂隙 数 目的增加和分层厚度 的减小而增加 。 3之 侧袍使哑彩得 ﹁借︶彩堆淬加腆亚 图 2 . 3 冒落岩石与 5 0 。厚顶板图 2 . 4顶 板 冒落 高度 与 顶板裂 隙 4 巷道断面 巷道 断面 的大 小和形状也对巷 道 的稳定有 重要 影 响 。 巷道断 1 6 辽宁工程技术大学博士论文 面尺寸越大，越 不利于巷道 的稳 定。在各种形状的断面中，椭圆 形 巷 道 最 稳 定 ， 拱 形 次 之 ，矩 形 巷 道 容 易 在 周 边 产 生 高 集 中 应 力 和拉应 力，稳定性最差 。 在一定的地应力 条件下 ， 巷道高宽比不同会在 围岩 中产生不 同的附加应 力 ，对 巷 道 的稳 定性 产生影响 。对于椭 圆形巷 道 ，当 巷道的轴 比 宽度 b与 高度 a的比值 与侧压系数入 水平应力与 垂直应力的比值 相等，即b l a R 时，对巷道稳定不利当b l a 4 时老顶对 巷道围岩中应力集中的影响己减弱。 辽宁工程技术大学博士论文 图 2 . 5工 作面 前方支撑压 力的分 布 2 相邻工作面 回采对巷道围岩稳定性的影响。 巷道围岩稳定 性 同时受到邻近工作面 回采引起岩体应力变化 的影响。邻近工作 面回采对巷道 围岩稳定性的影响程度 。当生产条件和地质条件给 定时 ，主要取决于护巷煤柱尺寸，护巷煤柱尺寸大小决定巷道是 否承受侧 向支承压力 以及侧 向支承压力的大小 。由于侧 向支承压 力引起巷道的强烈变形，所以护巷煤柱尺寸是影响受采动影响巷 道稳定性 的一个十分重要的因素 ，如图 2 . 6所 示 。实体煤 中的巷 道 比受采煤 工作 面一