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对地下矿山开采而言,保证巷道开挖与支护稳定是矿山安全生产的前提。随着人们对矿山地下巷道矿山压力分布和破坏规律的逐渐掌握,支护设计理论也得到了较大的发展,但由于地下巷道复杂多变的地质条件,围岩多具有多样的物理力学特性,加上岩土参数的变异性都极大地影响着矿山地下巷道的支护设计,特别是随着近年来开采水平的不断深入,以及破碎软弱等复杂多变地质条件下的工程日益增多,使得巷道的支护设计更加困难,以往的按照工程类比和经验等确定性设计方法来分析问题显然存在一定的缺陷。结构可靠度设计方法正是针对这些不确定因素而发展起来的,这种设计方法已经在建筑、铁路、公路中得到了较为广泛的应用,但在巷道支护中的应用相对较少,因此应用可靠性设计理论的方法指导巷道支护设计具有重要的理论与现实意义。
本文研究的工程背景——中国铝业股份有限公司郑州分公司三门峡铝矿7号进风井420中段码头门平巷围岩地质条件为典型的破碎软弱复杂型。本文从可靠性分析的基本原理和基本方法出发,通过分析巷道围岩变形破坏特征、巷道支护结构支护承载机理,在对巷道锚杆支护和锚喷网支护进行确定性分析的基础上,根据可靠性理论建立了巷道锚杆支护和锚喷网支护可靠度分析模型,该分析模型弥补了以往从单一作用因素进行稳定性分析的缺陷,更加全面的考虑了破碎软弱等复杂地质条件的影响,因此能够更加合理地反映巷道支护结构的真实情况。论文采用Matlab优化法和蒙特卡罗法对可靠度进行计算求解。根据建立的可靠性分析模型对工程实例进行了计算,探讨了破碎软弱地质条件下巷道不同支护参数及其变化对巷道支护结构可靠性的影响规律,以可靠度计算结果为依据对支护参数设计进行了修正优化。最后采用FLAC3D数值模拟软件对可靠度分析中的不同支护方案条件下的支护效果进行了数值模拟,结果表明基于可靠度设计的支护方案有效保证了巷道的稳定性,并通过线性回归建立起了可靠度值与围岩变形的关系曲线,证明了二者间的相关性,对结构可靠性理论应用于地下巷道工程的安全可靠性研究有一定的参考意义。