基于玻璃杆的支护可靠性计算理论与思路方法

基于玻璃钢锚杆的支护可靠性计算方法与设计方法第1章绪论11课题来源及背景自四十年代美国和前苏联率先在井下使用锚杆支护技术以来,锚杆支护发展很快锚杆的形式材料及锚杆支护理论和技术都有了很大的提高,目前已成为世界各主要产煤国家巷道支护的一种主要形式我国从1956年开始研究和应用锚杆支护技术,初期主要在较为可靠的岩巷中应用,直到六七十年代才应用于采准巷道,不过也是在顶板极为完整的情况下用来代替工字钢U型钢和混凝土支护但是应用范围比较小,对顶板条件较为苛刻,而且技术不够成熟,因此没有得到大面积的推广,在国内也没有获得更多的关注随着矿井开采深度的增加,棚式支护工字钢U型钢梯形棚都越来越不适应深井高地压采准巷道的支护要求针对这一状况,我国越来越多的专家学者以及矿井技术人员开始探索采准巷道的新的支护形式锚杆支护实践证明锚杆支护是一种快速安全经济的巷道支护形式具有适应围岩变形重量轻成本低运输施工简单方便安装快速实现机械化快速掘进安全可靠性高等优点,并能保持巷道宽敞通畅随着对锚杆支护机理认识的不断深化和支护技术的不断发展,我国锚杆支护的范围已从硬岩扩展到的软岩,从完整稳定岩层扩展到破碎不稳定岩层,从小断面巷道扩展到大断面巷道硐室,从新掘进的巷道支护到旧巷道围护,从开拓巷道到采区巷道锚杆支护的范围越来越广,锚杆支护的理论和技术都在不断发展从我国开始使用锚杆支护到现在,锚杆支护越来越趋于成熟,技术也在不断更新锚杆支护的范围也从岩巷扩展到煤巷,但是煤巷的特点是两帮煤体强度低松散破碎裂隙发育由于煤巷的特点,加上煤巷又受到采动的影响,起初大多数矿井使用强度较大的钢锚杆钢锚索金属网来联合支护煤巷这样的支护的确可靠,但是不得不考虑以下几点第一,煤巷内采用金属锚杆,采煤机采煤时,刀具切到金属锚杆时会产生火花,而在煤巷内,瓦斯的浓度相对较高,严重影响生产安全第二,综采工作面,锚杆会经常卷入综采设备中火损坏采煤机刀具火缠绕在采煤机滚筒上不易清除,易造成人员伤害和采煤机损坏第三,即使锚杆被切断与碎煤同在运输机上运输,碎断锚杆容易划伤皮带,造成不必要的损失第四,在井下遇有腐蚀水时,金属锚杆还需做防腐处理,带来不必要的成本考虑到这几点时,井下工作者不得不在初采工作面以及回采工作面上采取超前工作面拆除影响安全生产的的主要因素,拆除煤壁上的金属锚杆和金属网,如此便增加了采煤的生产工序,浪费人力物力,影响生产最重要的一点是,采煤机切割煤壁时会切到金属锚杆,易产生火花,容易造成煤尘瓦斯爆炸,影响工作人员的生命安全,也影响了矿井生产由于锚杆技术的发展,也为了适应煤巷支护的特点,玻璃钢锚杆的出现无疑是一种很大的技术突破玻璃钢锚杆是一种以树脂基复合材料制成,它是以合成树脂为基体材料,玻璃纤维及其制品为增强材料组成的复合材料玻璃钢锚杆具有轻质高强易切割抗腐蚀低松弛非磁性抗疲劳可设计性强成型工艺好等优良特点钢锚杆易腐蚀笨重造价高采煤机切割时易产生火花木锚杆虽然采煤机切割时不产生火花,但是木锚杆的强度很多时候达不到支护要求玻璃钢锚杆在成型工艺上具有良好的设计性,并且它的生产线适合量产玻璃钢锚杆的生产线的主要系统杆体成型系统缠绕系统固化系统自动控制系统玻璃钢锚杆的成型工艺也有很多种,手糊喷射层压SMMZ缠绕拉挤模压等成型工艺其中拉挤成型工艺的玻璃钢锚杆玻璃纤维很高,能达到目前,玻70璃钢锚杆生产厂家基本采用拉挤成型工艺拉挤成型工艺流程玻璃纤维无捻粗纱排布浸胶预成型挤压模塑及固化牵引切割制品玻璃钢锚杆杆体主要由玻璃纤维和聚合树脂组成,其中玻璃纤维一般占杆体的到因此玻璃钢607锚杆的主要性能是由玻璃纤维决定的由于玻璃纤维具有脆性,所以玻璃钢锚杆的延伸率很低,一般只有到但是玻璃纤维单向排列,玻璃钢锚杆的抗剪20强度抗扭强度较低抗拉强度大,有MPA6012问题的提出及研究意义锚杆支护作为矿山井下回采巷道的主要支护形式,锚杆支护必须遵守两条原则第一,常规的安全分析第二,遵循标准的安全规范以往的煤巷支护都是采用安全系数的思想,安全系数法的基本思想是依据抗力不得小于荷载的原则,将支撑体的物理几何参数用一个确定的值来计算,得出的结果是一个确定的,一个只与参数均值有关的安全系数但是安全系数法存在问题如果说安全系数K分别为支撑体的抗力与荷载的均值SRKS假设支撑体的抗力与围岩荷载均服从正态分布,依据安全系数法,若两件支AB撑体的安全系数相同,那么两件支撑体的支护效果相同,且AB,BSRBSARKK由强度应力干涉理论可知,它们失效概率却相差很大失效概率与图中阴影面积成正比,的失效概率远小于的失效概率,如图所示AXFAPXFBP安全系数法并不能真正完全反映应力分布和支护效果,这也就是实践中安全系数值与支护效果不相匹配的理论根源锚杆支护已成为矿山井下回采巷道的主要支护形式,锚杆支护属于工程支护范畴,工程支护的可靠性是依据可靠度来计算的可靠度是可靠性概率的度量,表示锚杆在巷道服务时间内安全支护的概率工程支护可靠度一般用表示,当XFAASARXFBBSBR时,这个工程支护是可靠的当时,认为支护失效工程支护可靠度9090一般用工程结构状态函数表示,而影响工程支护结构的主要因素是荷载结ZS构抗力,若选取来表示工程支护中的个互相独立的随RNXX,21N机变量,那么支护结构极限状态函数可以表示为,21NXGSRZ当时,支护安全可靠当时,支护处于极限平衡状态当,支护失0Z00Z效支撑体的可靠性不仅与和有关,还与它们的离散程度或变异系数有关RS在现有的安全系数法的基础上,在不影响安全系数的情况下,结合工程可靠度学科观点,承认几乎所有的工程变量都是随机变量,充分考虑抗力荷载的随机性,建立基于可靠度理论的分析方法目前,我国很多矿井的煤巷支护,为了达到理想的安全系数,普遍采取提高支护密度的方法这种方法不仅需要花费更多的人力物力,而且不一定能达到理想的支护效果从这个角度出发,对支护可靠性的分析是由重大意义的,减少不必要的人力物力浪费,而且能提供一个安全可靠的支护目的在不影响安全的前提下,依据可靠性原理,降低支护密度,提高支护可靠度,从而达到以最少的资源达到最理想的支护效果13相关研究概况131国外可靠性的发展史早在1939年,美国提出最早的可靠性指标,美国航空委员会提出飞机事故率1943年,美国成立“电子管技术委员会”并成立“电子管研究小组”,开始了电子管的可靠性研究,这是有组织地研究电子管可靠性的开始1949年,美国海军的电子设备近70失效,美国无线电工程学会成立第一个可靠性专业学术组织,美国无线电工程学会可靠性技术组20世纪50年代,越南战争期间,美军运到前线的武器装备近一半失效由于设备的事故率故障率不断提高,美国国防部于1952年8月21日,联合军部工业办以及学术界成立了“电子设备可靠性顾问组”,也就是AGREE1957年6月14日,AGREE提出了著名的AGREE报告,即军用电子设备的可靠性,标志着可靠性成为一门重要的独立的学科,也标志着可靠性的研究进入萌芽阶段可靠性虽然在美国率先被提出,可靠性的最初定义也是由美国在1952年的一次学术会议上提出的,但是在20世纪50年代,各国所面临的都是同样的问题,军备的事故率,电子产品的失效,可靠性不仅仅在美国兴起1944年,德国试制V2火箭,提出火箭的可靠度是所有元器件的可靠度乘积1956年,日本从美国引进可靠性技术和经济管理技术,成立质量管理委员会,并于同年科技联合会召开了第一次可靠性学术讨论会20世纪50年代前苏联为了保证人造地球卫星的发射与飞行的可靠性,开始了可靠性的一系列研究同一年代为了解决作战导弹的可靠性要求,一些国家也先后开展了可靠性的研究,使得可靠性的发展进入了兴盛独立的发展阶段20世纪60年代,世界经济进入了发展较快的年代,当然也迎来了可靠性的全面发展阶段可靠性工程由美国先行,带动了其他工业国,使得可靠性的发展进入了空前绝后的状态主要表现在可靠性理论的研究可靠性的工程方法包括可靠性管理试验预计设计等开拓了旨在研究失效机理的可靠性物理这门新学科发展了故障模式影响及危害性分析FMECA和故障树分析FTA两种有效的系统可靠性分析技术开展了机械可靠性的研究发展了维修性人的可靠性和安全性的研究建立了更有效的数据系统开设了可靠性教育课程20世纪60年代中期,日本将美国在航空航天以及军事装备上的可靠性研究成果应用到了日本的民用工业中,尤其是在电子产业中的应用,使得日本的电子业得到了巨大的发展,更使得日本电子业一直到现在都是位居世界首位进入到20世纪70年代,率先研究可靠性的国家已进入深入研究可靠性的阶段,不仅在理论和研究方法,以及可靠性预计设计都有了很大的提高132我国可靠性的发展史我国引进可靠性技术相对来讲较迟,我国开始接触可靠性是在1959建成了亚热带环境研究所,但是只有三四年的时间就夭折了过后的很长一段时间,我国的可靠性研究基本属于空白我国真正意义上的引进可靠是在20世纪70年代,1976年颁布了第一个可靠性的标准SJ104476可靠性名词术语,1979年颁发了第一个可靠性国家标准GB197779电子元件失效率试验方法随着中国的改革开放和经济的高速发展,20世纪70年代后期,从解决国家重点工程元器件的可靠性研究有了飞速的提高80年代,我国的各种可靠性机构,学术团体像雨后春笋迅速发展在可靠性数学和可靠性理论上已达到一定水平,然而,可靠性技术在工业和企业中的应用还不广泛,与先进国家相比还存在较大差距与此同时,国外的可靠性研究已从电子设备和军用设备扩展到了机械设备以及非电子设备中,尤其是软件可靠性的发展,虽然理论上没有很大进展,但是在实际应用中还是累积了不少实用的经验20世纪90年代初,中国原机械电子工业部提出了“以科技为先导,以质量为主线”,沿着管起来控制好上水平的发展模式开展可靠性工作,兴起了我国第二次可靠性工作的高潮,取得了较大的成绩进入20世纪90年代后,由于软件可靠性问题的重要性更加突出和软件可靠性工程实践范畴的不断扩展,软件可靠性逐渐成为软件开发者需要考虑的重要因素,软件可靠性工程在软件工程领域逐渐取得相对独立的地位,并成为一个生机勃勃的分支在我国加入WTO之后,经济要与国际接轨,企业产品参与国际市场竞争,进入国际经济的大循环圈,这是经济发展的必然趋势用户不仅要求产品性能好,更重要的是要求产品的可靠性水平高,这是产品占领市场的关键我国的可靠性工程水平和国外还有着一定的差距,还需要继续发展133可靠性理论研究概况为了充分考虑不确定因素的影响,中南大学古德生院士系统研究了“地下金属矿山无间柱连续采矿可靠性分析与设计”辽宁工程技术大学矿山灾害控制与可持续发展研究所在马云东教授的带领下,用力学和数学相结合的办法系统研究了“回采巷道锚杆支护可靠性设计”问题,通过对锚杆支护巷道围岩应力与锚杆支护抗力的预测与辨识锚杆支护巷道围岩稳定的基本判据与极限状态方程基于极限平衡的锚杆支护巷道可靠性设计理论研究巷道锚杆支护可靠性设计参数的计算与预测和复杂地层巷道锚网支护可靠性设计与应用等问题的研究,建立了“基于可靠性的锚杆支护可靠性设计理论”,并开发了相应的计算机辅助系统何满潮教授研究悬吊理论模型下煤巷玻璃钢锚杆支护稳定性的可靠度王卫军教授研究分析了煤帮锚杆支护结构的可靠度朱川曲教授采用JC法计算了综放沿空留巷锚杆支护结构的可靠度邹常富利用蒙特卡罗法来计算较难处理的极限状态功能函数,还分别推导出了回采巷道两帮及顶板的极限状态功能函数邹常富采用蒙特卡罗法计算可靠度,指出可靠度计算方法很多,但是各有各的适用性和局限性,具体问题具体对待冯国文指出以安全系数法为支护设计方法的不理想之处,目前普遍采用加大支护密度来保证支护安全性,但是安全系数并不能反映井下围岩条件的随机性和模糊性,利用可靠性指标代替传统的安全系数指标贾红睿马云东指出安全系数法存在的问题,指出两种具有相同安全系数支护的效果差别很大,体现在失效概率上高谦马念杰指出安全系数的局限性,提出可靠性不是对安全系数的完全否定,而是可靠性解决了安全系数的局限性,更加全面的贴合实际,考虑到了影响支护可靠性的不确定性张大明利用数值模拟软件RFPA对所创建的回采巷道模型的支护可靠性进行了数值模拟,得到了最佳的支护方案设计杨军伟等人基于蒙特卡罗法运用MATLAB软件计算了通过沿空留巷顶板锚杆支护系统锚杆结构的可靠度并结合工程实际对锚杆支护的可靠性方案进行了数值模拟,得出顶板锚杆支护的可靠度与锚杆长度和许用拉应力成正比,而与锚杆布置间排距成反比桂祥友等人采用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方法,利用RFPA2D岩石破裂过程分析系统软件,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马生徽等人通过选取锚杆直径长度间排距和锚杆预紧力5个参数进行正交试验设计,运用FLAC3D软件对正交设计的各种参数组合进行模拟,获得了最优支护参数组合134相关理论1安全系数法安全系数最初是在材料力学中应用的,普遍用于土木工程机械工程中,最初定义是用来反映构件的安全程度考虑构件是否安全,需要考虑两个重要因素,抗力和荷载抗力大于荷载时,视为安全抗力等于荷载时,达到极限状态,此时抗力又称许用应力或极限应力安全系数的两个重要因素抗力和荷载有以下关KRS系或分别为支撑体的抗力与荷载的均值SRKSRS2极限平衡理论针对某一特定构件在正常工作中,影响工作的重要因素抗力和荷载,那RS么这个构件的结构状态函数可以表示为ZSR当时,结构状态函数称为极限状态函数对构件不断施加荷载,至构件刚好0Z失效的临界情况,得出构件失效时的临界许用应力3应力强度干涉理论在机械工程中,构件的失效与否与应力和强度有着很大的关系,当SS时,构件时完好的当强度小于应力时,构件失效应力干涉模型SSSS如图所示当强度的均值大于应力的均值时,图中阴影部分表示的应力和强度的“干涉区”内,可能会出现强度小于应力的情况,也就是构件存在失效的可能,干涉区的几何意义是图中阴影部分的面积即为构件的失效概率14现存的主要问题国内外学者及相关机构团体对玻璃钢锚杆的结构性能做了大量的研究,研制了多中结构形式的玻璃钢锚杆,并且进行了设计开发,经过试验以及实际应用情况,都证明了其在某一方面相比原有的玻璃钢锚杆有着更好的性能,这是针对玻璃钢锚杆的又一提高虽然玻璃钢锚杆在性能和设计上都有了很大的提高,但是对玻璃钢锚杆的研究仍然存在一些问题1对玻璃钢锚杆的失效机理没有系统的研究玻璃钢锚杆和金属锚杆在材质上的不同,使得它们在性能上也有很大的差别同样,不同材料结构的玻璃钢锚杆在性能上也有很大的差别巷帮的条件也没有同一性,巷帮条件的差异与玻S，SSFSO图101应力强度干涉模型SFSF璃钢锚杆性能的不同决定了巷帮与锚杆之间有了相互选择性2影响玻璃钢锚杆的支护可靠性的因素过多,除了确定的参数,绝大多数都具有不确定性另外,支护可靠性的分析方法过多,但是各有各的适用性和局限性研究锚杆支护可靠性大多基于钢锚杆,针对玻璃钢锚杆的研究相对较少缺少提高玻璃钢锚杆支护可靠性的文献资料和现有的结论3巷道条件的多种多样,伴随着采深的增加,对玻璃钢锚杆性能的要求越来越高,所以对玻璃钢锚杆的性能及结构以及新型材料方面需要作进一步的改进15研究内容与技术路线1玻璃钢锚杆失效机理的系统研究分别从两个角度对玻璃钢锚杆失效机理进行研究第一,对单一锚杆破坏失效机理进行研究第二,对由单一锚杆所组成锚杆支护系统进行失效研究首先建立单一锚杆支护系统,再对系统进行区分,再对子系统中的影响因素进行分析其次,对由单一锚杆所组成的系统即锚杆支护的串联和并联系统2煤帮破坏机理研究玻璃钢锚杆支护属于工程支护范畴,支护可靠性的研究涉及到很多的影响因素,煤帮破坏机理的研究与提高支护可靠性息息相关煤帮破坏机理的研究中涉及到很多参数,这些参数也为影响支护的可靠性的因素提供了参考,同时也为数值模拟提工了参考3支护可靠性的计算理论和设计方法对支护可靠性的概念以及可靠性的计算理论及其基本原理进行阐述,根据影响支护可靠性的因素和数值模拟,结合现场的矿压观测与锚杆受力观测提出可行的设计方案本文的技术路线如下图所示第二章支护可靠性的影响因素21支护可靠性的概念211支护可靠性的基本定义查阅相关文献、资料，制定研究计划和方案玻璃钢锚杆支护可靠性模型建立玻璃钢锚杆失效机理研究煤帮破坏机理研究支护可靠性基本算法及其基本原理影响支护可靠性的因素、相关参数支护可靠性的可靠度现场实测、数值模拟相关参数给出玻璃钢锚杆的支护设计方案可靠性最初的定义来自于美国航空委员会出版的适航性统计学注释,构件在规定条件下规定时间内完成规定任务的概率后来在1952年,美国举行一次关于可靠性的学术会议,又重新对可靠性作了定义,构件在规定条件下规定时间内完成规定任务的能力可靠性是构件在规定条件下规定时间内完成规定任务的能力主要反映在构件的可靠度失效概率或平均无故障间隔等可靠性可以看成是构件“规定条件”和“规定时间”的函数,这个函数的约束条件就是“规定条件”和“规定时间”可靠性函数常反映在可靠度上,与规定条件和规R定时间的函数关系式是T,TRT0借助极限平衡理论和应力强度干涉理论,构件的强度与构件所受到的应力R之间存在关系式SSDTPT可靠度是可靠性概率的度量,反映的是构件在规定条件下规定时间内完成规定任务的概率可靠度与失效概率又存在着一种关系FFP1SRPFSRDRSSF分别为强度和应力的概率分布密度函数RFS若用来表示该构件的结构状态则有ZSRZ若选取随机变量表示所有影响该构件可靠度的因素,则状态函数可以NX,21表示为,21NXGZ结构状态函数得到确定后,便可求得的均值和方差,可靠度又可定义为,ZZZ当与均服从正态分布时,上式可化为RS2SRZ玻璃钢锚杆的支护可靠性,玻璃钢锚杆在巷道服务时间内完成安全可靠支护的能力规定条件是井下巷道的环境下,规定时间是玻璃钢锚杆整个服务时间,规定的任务是安全可靠地完成支护任务可靠的相反定义是故障,所选用的产品或产品的一部分不能或将不能完成预定的功能的事件或状态可靠性的概率分布密度函数和故障概率分布密度函TR数之间存在如下关系TF,TRTT,1F0可靠度的另一种定义为平均无故障工作时间MTBFMTBF表示可修复的部件元件产品或系统,在相邻失效间隔的平均工作时间,也称平均寿命该时间的总失效数总工作时间MTBF将产品的从出厂到寿命终结,可以化为三个时期,早期失效期偶然失效期和耗损失效期MTBF在浴盆曲线如图中有效寿命时间TTTF0TTF212支护可靠性模型建立1串联系统对于一个特定的系统,若这个系统包含个原件,若其中任意一NNR,21个原件失效而导致整个系统失效,这个系统称为串联系统这个原件任意元件的可靠度为,其中,那么串联系统的可靠度是这个原件可靠TRI,21I度的乘积,系统可靠度可以表示为串NIITR1串2并联系统对于一个特定的系统,若这个系统包含个原件,只有当个原NNR,21件全部失效时,系统才失效,那么这系统为并联系统这个原件的可靠度为,其TI中,那么第个元件失效的概率为,那么所有元件失效的概,21NIITI率可以表示为FPNIIFTRP1那么并联系统的可靠度可以表示为并RNIIFT11并3串并联系统串并联系统可靠性框图如图所示,整个大系统为并联系统,其每个子系统为串联系统它是由个串联子系统并联组成,每个子系统由个原件串联而成如NIM果每个原件的可靠度为,根据串联和并联的可靠TRIJN,21IJ,21度公式可得串并联系统可靠度,可以表示为串并串并NIMJIJITR11串并4并串联系统并串联系统可靠性框图如图所示,整个大系统为串联系统,其每个子系统是并联系统它是由个并联子系统串联组成,每个子系统由个原件并联而成如NIM果每个原件的可靠度为,根据串联和并联的可靠TRIJJ,21N,21度公式可得串并联系统可靠度,可以表示为并串并串NJMIIJJTR1并串22煤帮破坏机理未受到采动影响的地下煤体处于应力平衡状态,这种情况下煤体可以当成是连续非均匀介质,并具有一定的相对连续性在回采过程中,煤体受到采动影响后,会改变工作面处煤壁周围原始应力平衡的应力分布状态,表现为水平应力迅速减小,甚至消失煤体中应力重新分布,会在煤体上方形成超前支承压力,并且造成煤体承受的压力大幅度增加在外力作用下,煤体产生新的裂隙和节理并破坏了煤体的完整性,煤体发生塑性变形煤层较软的条件下,煤体受到采动后,煤壁自稳性差,大部分处于破碎状态,其承受载荷的能力逐渐变小直至已经失去承载能力煤体发生破碎后,由于所处客观条件如生产工艺的限制难以给煤壁施加围压,即煤壁不能处于三向受压的状态,工作面附近的煤体会处于单向应力状态或者二向应力状态下,其承载能力大大降低,煤体的极限强度值远远低于煤体上方应力值,均会导致煤壁表面的位移量增加,最终导致片帮的发生煤壁片帮多以小范围片帮的形式为主,整个断面片帮很少,小范围片帮的原因煤体自重,顶板压力作用破坏形式表现为拉裂破坏剪切破坏拉裂破坏常发生在脆性硬煤中,该类煤壁的容许变形量小,其片帮破坏的主要原因是由于在顶板压力作用下,煤壁内产生的横向拉应力,而横向拉应力不能通过媒体的变形释放或者缓解,因此,当其大于媒体的抗拉强度时,煤壁拉裂破坏剪切破坏对于软煤层而言,在煤体自重及顶板压力作用下,煤壁内也会产生横向的拉应力,但是软煤层的横向及蠕动变形会释放或缓解由于压缩而产生的横向拉应力,最终由于煤壁内的剪切应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏大断面回采巷道形变特征两帮内挤,顶板弯曲下沉断裂,巷道整体变形大断面回采巷道破坏机理巷道开掘后,会破坏原岩应力的平衡,应力会在巷道周围岩体内重新分布由于煤的强度较弱,煤帮表面的集中应力会首先使帮部出现塑性变形受到水平应力的剪切作用后,表面塑性区煤层会向巷道内挤出而发生松动若松动没有被及时控制,继续发育将导致片帮,变大的塑性区对顶板的支撑作用变小,肩角处煤体受集中应力作用发生破碎滑落,顶板开始出现弯曲下沉煤壁塑性变形阶段,煤壁变形形成过程中,由于煤体内软弱夹层受流变特性控制,使煤体变形具有塑性特性煤壁变形大体上可分为初始变形阶段稳态变形阶段和加速变形阶段初始变形阶段经历的时间短,塑性变形发展很快,但位移速度呈减速发展稳态变形阶段的时间段较长,其特点是在此时间段内煤体塑性变形的速度大致保持在一个较小的范围内波动,近似看做是一个常量加速阶段的特点是位移速度逐渐增大煤壁塑性变形进入加速阶段就预示着会因塑性变形的急剧发展而支架失稳破坏,因而在进行预测预报的同时,采取各种措施进行治理,防止或推迟这一时间的到来塑性变形模型分析当剪应力不变时,剪应变是时间的函数,剪应力分级施加时,其剪应变TF则是剪应力和时间的函数,塑性变形全过程包括瞬时应变,初始塑性TF0变形,定常塑性变形和加速变形,直至式样破坏123塑性变形体所受剪应力较小时,其塑性变形曲线中第一级,即剪应力的瞬间,产生瞬时应变,而卸去剪应力,位移大多恢复到原位,反映弹性变形的性0质瞬时应变后,在不变的剪应力作用下,塑性变形体随时间的增长继续变形,但其应变速率却随时间而衰退由于剪应力作用,塑性变形体集粒发生游动,拥挤而靠拢镶嵌,结构连结强度逐渐增大,当其增大至足以抵抗剪切力时,变形不在发展而趋于稳定当,塑性变形体煤体集粒在较大的剪应力作用下发生相对浮动,在移动的初期,由于拥塞和颗粒集粒的靠拢而增强了结构的连结,因此出现变形速率随时间衰减的情况但由于剪应力较大,形成的新连结不足抵抗剪应力,颗粒集粒继续相对位移,此时塑性变形体原有结构开始破坏,原被破坏的连结又重新连结起来,使结构连结的破坏和重新组合处于动态平衡,这时塑性变形体处于处于非稳定塑性变形的定常阶段稳定流的进一步发展,使集粒沿剪切方向进一步定向化,使这种重新组成的连结不牢固,这样就使原有结构连结的破坏得不到完全的补充,破坏了两者间的平衡,这时应变速率突然变大,使其进入非稳定塑性变形的第三阶段,加速变形阶段,导致破坏煤巷两帮煤体强度低变形量大,而煤帮的稳定又是顶板稳定的基础因此,两帮成为回采巷道围岩控制的重点和难点巷道开挖后,当帮部为较松软的煤体时,煤帮破裂区和塑性区的煤体处于应力极限平衡状态由于煤体的泊松比比顶底板岩石大,煤层与顶板岩石界面上的黏聚力和内摩擦角较两帮煤体偏低,极限平衡区的煤体趋于从顶底板岩石中挤出,在煤层界面上产生水平向右的剪应力煤帮稳定性直接关系到矿山的生产与安全就采动而言,其实质是回采引起的支承压力对巷道的影响煤帮的变形是由于煤体内部的松动和煤体沿煤层界面被挤出而引起的,控制煤体松动和被挤出,防止其片帮是煤帮锚杆支护的目的由于巷道周围煤体中出现塑性区和片帮会造成跨度增大,而顶板岩梁内的最大拉应力是与巷道跨度的平方成正比的,因而会使得顶板岩梁内的拉应力显著增大当巷道跨度过大时,顶板便有可能沿巷道两侧整体垮落,造成冒顶事故必须通过加强煤帮支护来对巷道片帮加以控制,防止因片帮而造成跨度增大根据极限破坏平衡理论,可得出塑性区煤体的垂直应力和塑性区宽度,Y0X0TAN20TTAN0CEAPCXMXYTANLT2000CHKXX为煤体残余粘结力为煤体残余内摩擦角为锚杆的支护阻力为侧压系0C0XPA数为应力集中系数为采深为煤层开采厚度为顶板岩石容重由上式看KHM出,煤帮锚杆的支护阻力增大时,塑性区煤体的垂直应力将显著增大,塑性区XPY宽度将明显减小当煤帮锚杆支护阻力增大到一定程度时,塑性区宽度将减0XXP小到0,有利于提高煤体的稳定性,同时有利于控制顶板变形破坏塑性区垂直应力增大,意味着煤层界面上的正应力增大,有利于抑制煤体从底Y板中挤出即使煤帮采用锚杆支护,两帮煤体仍会被挤出,但由于锚杆的作用,煤体挤出的位移量减小,且煤体向巷道内位移呈整体性回采巷道围岩变形呈由煤壁向煤体深部逐渐变小的趋势,煤体浅部变形大,煤体深部变形小煤帮变形破坏特征巷道开挖后,两帮便产生了集中应力,巷帮煤体由原来的三向应力状态变为二向应力状态煤帮在集中应力作用下会形成塑性区弹性区和原岩应力区,在塑性区内还会出现松动区煤帮锚杆主要是对塑性区,特别是松动区的煤体进行支护煤体内部变形破坏在一定的围岩应力作用下,煤体破坏大多为剪切破坏,其破坏符合莫尔库伦条件,即,分别是剪切面上的剪切力和TANC正应力分别是煤体的粘结力和内摩擦角C煤体发生剪切破坏后,剪切面错距的增大,煤体对顶板的支护能力减小导致剪切扩容效应,煤体发生侧向膨胀并出现松动,松动会导致片帮,巷道跨度增大沿煤层界面的变形破坏煤体的泊松比大于其顶底板岩石的泊松比,所以在煤层界面处,煤层与顶底板的粘结力和内摩擦角比煤体粘结力和内摩擦角1C1C值低巷道开挖后,煤层界面处将首先出现塑性变形和破坏,此时,塑性区中煤体最容易被挤出,沿煤层界面的破坏条件为,为煤层界面11TANCXYXY1上的剪应力和正应力煤体松动使其承载能力降低,煤层界面上的正应力减小,使其煤体容易被挤出煤体一旦被挤出,会导致煤体更加松动煤帮的两种变形破坏是相互影响的巷道无支护条件下破坏机理分析1应力分析根据应力状态下的极限平衡分析可得无支护是两帮中的极限应力状态为1SIN1SIN20MFXXENSIN120FYX其中为巷道高度为煤体内摩擦角分别为水平应力和垂直应力为MXY0N煤帮的支撑能力为层间摩擦系数F2变形破坏分析随着应力场变化,巷道两帮因铅垂应力达到极限而发生压缩破坏,进而在两帮煤体中产生松动破坏圈,减弱巷道帮部对顶板的支撑,使得顶底板岩层因两帮支撑能力的减弱而造成挠度的增大,发生顶底板岩层的折断此时,两帮表面部分破坏严重的煤体抗压强度完全丧失,形成0的应力状态,从XY而使深部煤体失去约束,并发生巷道围岩的连锁式破坏失稳现象23煤帮锚杆支护机理煤帮变形破坏是由煤体内部松动和煤体沿煤层界面被挤出引起的,控制煤体松动和被挤出是煤帮锚杆支护的目的煤帮采用锚杆支护时,由锚固头和托板一起对煤帮施加托锚力锚杆轴向作用力可分解为作用于剪切面上的切向力和P1P法向力减小了剪切面上的剪切力,增大了剪切面上的正应力,因而有利于2P12控制煤体松动煤帮锚杆还对其作用范围内的煤体提供轴向约束力和径向约束力轴向约束力可阻止煤体松动径向约束力是杆体和锚固头提供的抗剪力,它对控制煤体内部的剪切破坏能起到一定的作用支护作用力分析将法向支护作用力记为,则两帮处于强度极限时的应力状态为PSIN12SIN120SI1MFMFXXXPEENSIN12SIN20SIFFYXX由上式可知,与无支护时的情况相比,支护力使法向应力提高了,从而使SIN12MFXPE切向极限应力提高了,支护力使两帮所承受的支撑压力提高了SIN12SIMFXEP由上式可推导出支护力的作用下,两帮发生破坏黏聚力变为0后的应力状态为SIN12MFXXPESIIFYX可见使两帮单轴抗压强度降为0而进入松动变形状态,在支护力的作用下,可承担一定的载荷,而且承载能力与支护力大小以及至两帮表面的距离成正比关系24玻璃钢锚杆支护失效机理玻璃钢锚杆支护时,可看成是一个系统玻璃钢锚杆支护系统主要由玻璃钢锚杆树脂托盘树脂螺母以及锚固剂组成玻璃钢锚杆支护系统可分为四个子系统,锚固段子系统杆体参数子系统支护参数子系统和施工质量子系统采用事故树的分析方法,将玻璃钢锚杆支护系统的四个子系统再进行划分,直至分解到所有因素不能再分解为止具体划分如图所示锚固段子系统锚固段子系统包括四个因素,围岩性质锚固类型锚固方式和锚固力每考虑其中一个因素时,视其他因素对其不影响玻璃钢锚杆支护煤帮时,煤帮的围岩性质基本上处于松散破碎裂隙发育的特性煤层的普氏系数小于2,硬度过小,这是导致支护困难的原因,支护越困难就越难保证支护有效围岩锚固剂杆体这三种介质很好的黏结,才能获得锚固力围岩的性质决定了锚固力大小,一般情况下,锚固段都打入弹性区或弹塑性区,塑性区内的煤体过于松散,不利于锚固段很好的工作若煤帮松散破碎程度较大是导致锚杆支护失效的直接原因黏结式锚杆锚固类型一般有水泥水泥砂浆数值锚固剂等玻璃钢锚杆选用数值锚固剂,能更好和杆体黏结,起到增强锚固力作用锚固类型的选择很重要,锚固类型是导致玻璃钢锚杆失效的直接原因锚固方式分为端锚和全锚一般情况下全锚时的锚固力要比端锚时的大,因为锚固剂与杆体和煤这两种介质接触面积比端锚的大锚固长度的选择很重要,锚固长度是导致玻璃钢锚杆失效的直接原因锚固力是导致玻璃钢锚杆失效的主要原因锚固力的获得主要是杆体锚固剂煤这三种介质很好的黏结下产生的根据应力传递机理,锚固力的获得除了需要锚固剂与杆体和煤这两种介质很好的黏结,还需要锚尾处托盘有很好的承载力煤帮对托盘的应力超过锚固力杆体不发生破断的情况下,支护失效杆体参数子系统杆体参数子系统包括三个因素锚杆强度锚杆长度和锚杆直径锚杆强度是玻璃钢锚杆支护失效的直接原因玻璃钢锚杆支护煤帮时,常会发生杆体破断的现象在锚固段不发生破坏锚尾不发生的情况下,杆体破断的唯一原因是因为玻璃钢锚杆杆体强度过低,达不到支护要求,支护失效锚杆长度的选择对支护效果的影响很大煤帮的特性表面松散破碎区,深入一段距离为弹塑性区,再深入为深部弹性区如图所示玻璃钢锚杆在进行支护时,先打钻孔,再装入玻璃钢和锚固剂,若锚杆长度达不到要求,锚杆的锚固段不能进入弹塑性区若没有进入到弹塑性区,锚杆可能会连着煤帮浅部直接大面积垮落坍塌锚杆直径的选择,关系到锚杆的强度玻璃钢锚杆是一种以树脂复合材料为基体,玻璃纤维为增强材料而制成玻璃钢锚杆内部玻璃纤维束呈纵向排列,而且玻璃钢锚杆的70的成分为玻璃纤维在相同长度的情况下,锚杆直径与玻璃纤维含量成正比,也与锚杆的抗拉强度成正比锚杆直径不达标,锚杆抗拉强度不达标,最终会导致失效支护参数子系统支护参数子系统分为三个因素支护密度锚杆角度和预紧力支护密度影响的不是单一锚杆,而是一片区域内的玻璃钢锚杆煤帮浅部松散破碎,某一根锚杆的失效,这根锚杆所支护的区域,由于扩容效应,会引起周围局部区域内锚杆的失效支护密度对于玻璃钢锚杆失效的影响是很大的,容易造成大面积锚杆支护失效煤帮局部区域内垮落坍塌锚杆角度的选择针对某一单根锚杆不是具有特别大的意义一般情况下,便于施工,煤帮锚杆角度都选择水平在对玻璃钢锚杆支护系统进行分析时,可近似看作为一个常量预紧力是给玻璃钢锚杆提供初锚力的主要来源,是实现锚杆主动支护的重要因素预紧力的实质就是在玻璃钢锚杆的锚尾结构处是施加扭矩获得的,锚杆获得初锚力若在开始时,锚杆的打入,没有添加预紧力,锚尾结构容易松动,达不到支护要求,容易造成失效施工质量子系统施工质量子系统包括三个因素成巷质量支护时间和支护质量成巷质量是保证玻璃钢锚杆支护可靠的重要因素成巷质量和围岩性质有相似之处,成巷质量好,容易支护成巷质量差,支护困难,难以保障玻璃钢锚杆支护可靠只是成巷质量属于施工质量子系统,与人为因素有很大关系支护时间,一定要做到及时支护巷道开掘后及时进行支护,可减少不必要的麻烦若没有及时支护容易造成煤壁松散破碎,支护时困难,需要对煤壁进行加固处理为减少不必要的麻烦,须及时支护支护质量是玻璃钢锚杆支护的重中之重煤帮为支护对象,锚杆为支护体,工人为整个支护的执行者支护质量是检测支护效果的一个重要结果支护质量不好主要体现在,锚杆打入后,锚固剂与锚杆没有很好的黏结就拧上托盘和螺母,不能使锚固段获得很好的锚固力拧托盘和螺母时,没有拧紧容易造成预紧力达不到要求,锚尾处松动等工人的质量成为整个支护的关键25影响支护可靠性的因素在确定性理论领域中,理论分析得出的结果可以非常精确但是煤帮支护属于不确定理论领域,不确定领域中纯粹的理论分析是不够的,得结合工程实际现场实测进行评估,才能得到具体的较为精确的玻璃钢锚杆支护可靠度251影响因素的不确定性1围岩特性的不确定围岩的不确定主要表现在了两个方面,围岩固有的不确定性和岩体实验的不确定性井下条件复杂,尤其是采准巷道,受到采动的影响较大煤巷中煤壁本身松散破碎裂隙发育煤帮煤体可分为三个区域浅部塑性区中部弹塑性区和深部弹性区浅部和中部由于煤体自身特性,煤体分布具有不连续性,其结构在空间上的排布差异性很大煤体的介质表现出了明显的不连续性非均匀性围岩分布差异很大,煤体的围岩性质非常复杂又由于井下条件本身很复杂,煤帮煤体还受到地应力地温和地下水等的影响,这就导致煤体围岩性质更加复杂,不确定性增加测煤的硬度系数时,取样到实验这当中的环节也具有很大的不确定性首先,取样时,搬运过程中可能对煤块有不同程度的破坏,使其失去原有的状态其次,在实验室实验时,并不能真正模拟现场时的情况最后,根据普氏系数计算,获得的值也是近似值总而言之,煤体的岩性具由较大程度地不确定性和复杂性2杆体参数的不确定自锚杆支护成为井下巷道的主要支护形式以来,关于锚杆的一系列研究已经取得了很多成果单论玻璃钢锚杆而言,锚杆的成型工艺结构和力学性能都有很大的提高煤帮玻璃钢锚杆支护的材料不确定主要体现在,玻璃钢锚杆成型工艺结构材料组成性能以及玻璃钢锚杆的杆体参数等玻璃钢锚杆成型工艺有手糊喷射层压缠绕和拉挤等,其中以拉挤成型工艺最受青睐,便于生产线上生产,而且拉挤成型工艺生产出的锚杆,杆体性能较其他工艺优越玻璃钢锚杆的结构多种多样,不同的结构有着不同的性能,也有其不同的适应性材料组成多为树脂复合材料和玻璃纤维,树脂复合材料选取有所不同,而且玻璃纤维占杆体中的配比有所不同,一般玻璃纤维的成分比为6070性能的差异取决于结构和材料的配比,体现在锚杆的抗拉强度抗剪强度抗扭强度和延伸率等杆体物理几何参数的差异性主要体现在锚杆长度直径螺母与螺纹间的滑动摩擦系数螺纹导程螺距等锚固剂基本选用树脂锚固剂,树脂锚固剂的型号选择具有不确定性玻璃钢锚杆本身就有这么多参数,选取玻璃钢锚杆作为支护时材料的选取也具有很大的不确定性3施工质量的不确定煤巷的成巷质量不确定,由于受到地应力和煤体本身特性的影响,掘成的巷道质量具有不确定性支护时间上,有的及时支护,有的未及时支护,有的需要进行二次支护安装锚杆时打钻孔的参数也具有不确定性,钻孔的直径钻孔的深度以及表面粗糙度支护质量上的不确定体现在,支护是否及时钻孔深度不一操作没有一个统一的标准锚固剂与杆体和煤是否很好地黏结等施工质量方面不确定性不亚于围岩杆体参数的不确定性4模型的不确定模型的不确定包括两个方面,一方面是力学模型的不确定,现场支护的抗力有以及围岩的应力分布都具有不确定性另一方面,即使力学模型建立完成,数值计算模型也具有不确定性这两个模型直接涉及到可靠度的计算,其不确定性对可靠度的结果影响较大综上所述,玻璃钢锚杆支护煤巷时,不确定因素较多,主要体现在围岩锚杆和施工质量上的不确定这些不确定性因素,一方面来源于固有的非人为所能改变不确定性,主要是研究对象本身的不确定性以及认识上的局限性和模糊性另一方面来源于人为选择施工的不确定性,体现在操作过程中存在的误差和局限性玻璃钢锚杆支护中,存在的问题是不确定因素过多,而且非常复杂,很多参数具有随机性模糊性,对于支护问题还存在认识上的局限性252主要因素影响支护可靠性的因素过多而且很复杂,且很多具有不确定性,但要对可靠性分析就必须建立其结构状态方程影响玻璃钢锚杆支护可靠性的主要因素有,开采参数煤层赋存参数玻璃钢锚杆支护参数和施工参数开采参数开采深度工作面推进速度采高与控顶距煤层赋存参数直接顶参数老顶参数煤层倾角支护参数初锚力预紧力间排距和锚杆角度施工参数支护时间支护质量成巷质量和后期维护参数根据煤帮破坏机理玻璃钢锚杆支护机理和玻璃钢锚杆失效机理的研究,将影响支护可靠性的因素分为两大类自然因素和人为因素自然因素为人力不可控制,研究对象固有的特性人为因素是人在工作生产中,可以选择或控制的因素1自然因素煤巷内煤帮和顶板不仅仅是荷载的给予者,同时还承受着外部岩体的荷载,在整个过程中,煤巷围岩还起着承载结构的作用反映煤巷围岩力学性质的主要因素是煤层与顶底板间界面的黏聚力和内摩擦角,煤体的内聚力C和内摩擦角0C0煤体的弹性模量抗压强度和残余强度侧压系数应力集中系数顶板ECCAK岩石容重等通常情况下,煤层与顶板岩石界面上的黏聚力和内摩擦角较两帮煤体偏低煤体力学性质越好,则煤体的和值越大,反之和值越小,它的大小CC直接影响着作为承载结构煤帮的承载能力围岩因素属于自然因素范畴2人为因素采准巷道内,煤巷的围岩受到采动的影响支护的原则是抗力不得小于荷载受到采动影响的因素主要有煤层开采厚度,采深使用玻璃钢锚杆支护时,锚杆的MH支护阻力玻璃钢锚杆的直径长度以及支护参数和施工参数都是人为可PDL以控制的,属于人为因素第三章支护可靠性分析锚杆支护必须遵循两个规则常规的安全分析标准的安全规范传统锚杆支护设计的方法都是根据安全系数法,都通过加大支护密度来保证支护的安全性,绪论中已经说过安全系数法所存在的问题,通过加大支护密度来支护煤帮,不仅浪费人力物力,还不一定能起到很好的支护效果,对于支护可靠性的研究刻不容缓31支护可靠性研究的必要性常规的安全分析,大多采用安全系数法安全系数法依据抗力不得小于荷载的原则安全系数法主要是确定安全系数值,安全系数是抗力的平均值与荷载KK的平均值的比值所得到值再与以往的经验设计所得的值作对比当时,认K00K为此次支护是安全的绪论中已通过应力干涉理论解释了相同的安全系数不能体现相同的失效概率,体现安全系数法的不合理性数学推导分析,安全系数,要想支护安全,必须有抗力均值,SRKSRK当抗力与荷载均服从正态分布时,RS2SRZ将分子分母同除以得S221SRSRSK,1,12NINRIR,2,12ISIS令抗力与荷载的变异系数分别为和,即有RRS22,SS则上式可化为21SRK从上式可以看出可靠度不止与安全系数有关还与抗力和荷载的变异系数有关,安全系数取决于抗力和荷载的均值,这就是说可靠度不仅与抗力和荷载的均值有关还与它们的变异系数有关,再一次说明安全系数法的不合理性矿井锚杆支护大多采用安全系数法,多数矿井采用加大支护密度来保证安全系数,这种做法不仅浪费人力物力,还不一定能够达到预期的支护效果在不影响支护效果的情况下,利用最少的资源来保证最佳的支护效果,研究可靠性具有相当的重要意义加大支护密度也不一定能保证支护安全,研究可靠性具有一定的必要性32可靠性分析方法1疲劳强度可靠性分析法建立实测应力谱和PSN曲线,然后对实测应力谱和PSN曲线进行分析建立应力谱和PSN曲线需要进行大量实验实测当构件在受到交变应力的作用下,当构件低于材料的屈服极限应变时,在构件的应力集中部位处会产生裂纹,裂纹继续发展会导致构件的破坏,整个过程称为疲劳破坏对构件施加交变应力经过一定的循环次数,构件发生破坏,这个循环次数N称为疲劳寿命P是构件在交变应力作用下的存活率,S是交变应力,N是循环次数疲劳寿命一般情况下,SN曲线即可体现出构件的屈服应力和疲劳寿命,在工程生产过程中需要一定条件下的SN曲线,不同存活率下的SN曲线,这就必须使用PSN曲线2故障树分析法它是以不期望发生事故为分析目标,继而找出导致这一故障状态发生的所有可能的直接原因,再进一步找,直至这些可能的直接原因再无分解的原因再无分解的原因包括基本的故障机理明确的概率分布已知的或无需分解的原因,它是使用基本演绎法找出顶事件发生的原因时间组合,并求其概率的分析法故障树分析法主要是建立故障树,确定顶事件分解出直接事件,通过直接事件找出底事件,即再无分解的原因3PETRI网分析法是一种动态的行为图行表示方法与静态行为图形表示法的故障树分析法相比,可通过数据资源条件决策在PETRI网上移动,研究系统的状态动态变迁过程,适用于同时发生的事件进行模拟故障树分析法是一种静态分析法,确定了某个事件,这一事件对其他事件不影响而PETRI网分析法是一种动态分析法,两个事件之间若存在联系,一种一个事件的发生与否会影响另一个事件,且某一事件发生的同时,另一事件也发生,显现的是动态的影响,适用事件同时发生的模拟4故障模式影响和危害性分析法通过分析装备所有可能的故障模式,来确定其对系统安全系统功能任务目标人员安全等的影响,并按影响的严重程度及其发生的概率确定可能的故障模SN屈服应力式的危害性故障模式影