【正文】 基于玻璃鋼錨桿的支護(hù)可靠性計(jì)算 方法 與設(shè)計(jì)方法 第 1 章 緒論 課題來(lái)源及背 景 自 四十年代美國(guó)和前蘇聯(lián)率先在井下使用錨桿支護(hù)技術(shù)以來(lái)，錨桿支護(hù)發(fā)展很快。錨桿的形式、材料及錨桿支護(hù)理論和技術(shù)都有了很大的提高，目前已成為世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家巷道支護(hù)的一種主要形式。我國(guó)從 1956 年開(kāi)始研究和應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，初期主要在較為可靠的巖巷中應(yīng)用，直到六七十年代才應(yīng)用于采準(zhǔn)巷道，不過(guò)也是在頂板極為完整的情況下用來(lái)代替工字鋼 、 U型鋼和混凝土支護(hù)。但是應(yīng)用范圍比較小，對(duì)頂板條件較為苛刻，而且技術(shù)不夠成熟，因此沒(méi)有得到大面積的 推廣，在國(guó)內(nèi)也沒(méi)有獲得更多的關(guān)注。隨著礦井開(kāi)采深度的增加 ，棚式支護(hù)（工字鋼、 U型鋼、梯形棚）都越來(lái)越不適應(yīng)深井高地壓采準(zhǔn)巷道的支護(hù)要求。針對(duì)這一狀況，我國(guó)越來(lái)越多的專家、學(xué)者以及礦井技術(shù)人員開(kāi)始探索采準(zhǔn)巷道的新的支護(hù)形式 —— 錨桿支護(hù)。實(shí)踐證明錨桿支護(hù)是一種快速、安全、經(jīng)濟(jì)的巷道支護(hù)形式。具有適應(yīng)圍巖變形、重量輕、成本低、運(yùn)輸施工簡(jiǎn)單方便、安裝快速 、實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速掘進(jìn)、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并能保持巷道寬敞通暢。 隨著對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深化和支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)錨桿支護(hù)的范圍已從硬巖擴(kuò)展到的軟巖，從完 整穩(wěn)定巖層擴(kuò)展到破碎不穩(wěn)定巖層，從小斷面巷道擴(kuò)展到大斷面巷道、硐室，從新掘進(jìn)的巷道支護(hù)到舊巷道圍護(hù) ，從開(kāi)拓巷道到采區(qū)巷道。錨桿支護(hù)的范圍越來(lái)越廣，錨桿支護(hù)的理論和技術(shù)都在不斷發(fā)展。 從我國(guó)開(kāi)始使用錨桿支護(hù)到現(xiàn)在，錨桿支護(hù)越來(lái)越趨于成熟，技術(shù)也在不斷更新。 錨桿支護(hù)的范圍也從巖巷擴(kuò)展到煤巷，但是煤巷的特點(diǎn)是：兩幫煤體強(qiáng)度低、松散破碎、裂隙發(fā)育。由于煤巷的特點(diǎn)，加上煤巷又受到采動(dòng)的影響， 起初大多數(shù)礦井使用強(qiáng)度較大的 鋼 錨桿 、鋼錨索、金屬網(wǎng)來(lái)聯(lián)合支護(hù)煤巷。這樣的支護(hù)的確可靠，但是不得不考慮以下 幾點(diǎn) 。第一，煤巷內(nèi)采用金 屬錨桿，采煤機(jī)采煤時(shí) ，刀具切到金屬錨桿時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，而在煤巷內(nèi)，瓦斯的濃度相對(duì)較高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。第二，綜采工作面，錨桿會(huì)經(jīng)常卷入綜采設(shè)備中火損壞采煤機(jī)刀具火纏繞在采煤機(jī)滾筒上不易清除，易造成 人員傷害和 采煤機(jī)損壞 。第三，即使錨桿被切斷與碎煤同在運(yùn)輸機(jī)上運(yùn)輸，碎斷錨桿容易劃傷皮帶，造成不必要的 損失。第四，在井下遇有腐蝕水時(shí)，金屬錨桿還需做防腐處理，帶來(lái)不必要的成本。 考慮到 這幾 點(diǎn)時(shí)，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響安全生產(chǎn)的的主要因素，拆除 煤壁上的金屬錨桿和金屬網(wǎng)，如此便增 加了采煤的生產(chǎn)工序，浪費(fèi)人力、物力，影響生產(chǎn)。最重要的一點(diǎn)是，采煤機(jī)切割煤壁時(shí)會(huì)切到金屬錨桿，易產(chǎn)生火花，容易造成煤塵瓦斯爆炸，影響工作人員的生命安全，也影響了 礦井生產(chǎn)。 由于錨桿技術(shù)的發(fā)展，也為了適應(yīng)煤巷支護(hù)的特點(diǎn)，玻璃鋼錨桿的出現(xiàn)無(wú)疑是一種很大的技術(shù)突破。玻璃鋼錨桿是一種以樹(shù)脂基復(fù)合材料 制成，它是以合成樹(shù)脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。玻璃鋼錨桿具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、易切割、抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝好等優(yōu)良特點(diǎn)。鋼錨桿易腐蝕、笨重、造價(jià)高、采煤機(jī)切割時(shí)易產(chǎn)生 火花；木錨桿雖然采煤機(jī)切割時(shí)不產(chǎn)生火花，但是木錨桿的強(qiáng)度很多時(shí)候達(dá)不到支護(hù)要求。 玻璃鋼錨桿在成型工藝上具有良好的設(shè)計(jì)性，并且它的生產(chǎn)線適合量產(chǎn)。玻璃鋼錨桿的生產(chǎn)線的主要系統(tǒng)：桿體成型系統(tǒng)、纏繞系統(tǒng)、固化系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。玻璃鋼錨桿的成型工藝也有很多種，手糊、噴射。層壓、 SMMZ、纏繞、拉擠、模壓等成型工藝。其中拉擠成型工藝的玻璃鋼錨桿玻璃纖維很高，能達(dá)到%70 。目前，玻璃鋼錨桿生產(chǎn)廠家基本采用拉擠成型工藝。 拉擠成型工藝流程：玻璃纖維無(wú)捻粗紗排布、浸膠、預(yù)成型、擠壓 模塑及固化、牽引、切割、制品。玻璃鋼錨桿桿體主要由玻璃纖維和聚合樹(shù)脂組成，其中玻璃纖維一般占桿體的%60 到 %70 。因此玻璃鋼錨桿的主要性能是由玻璃纖維決定的。由于玻璃纖維具有脆性，所以玻璃鋼錨桿的延伸率很低，一般只有 % 到 %2 。但是玻璃纖維單向排列，玻璃鋼錨桿的抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度較低；抗拉強(qiáng)度大，有 Mpa600 。 問(wèn)題的提出及研究意義 錨桿支護(hù) 作 為礦山井下回采巷道的主要支護(hù)形式， 錨桿支護(hù)必須遵守兩條原則：第一，常規(guī)的安全分析；第二，遵循標(biāo)準(zhǔn)的安全規(guī)范。以往的煤巷支護(hù)都是采用安全系數(shù)的思想，安全系數(shù)法的基本思想是依據(jù)抗力不得小于荷載的原則，將支撐體的物理幾何參數(shù)用一個(gè)確定的值來(lái)計(jì)算，得出的結(jié)果是一個(gè)確定的，一個(gè)只與參數(shù)均值有關(guān)的安全系數(shù) k 。但是安全系數(shù)法存在問(wèn)題：如果說(shuō)安全系數(shù) SRk ??? （ R? 、 S? 分別為支撐體的抗力與荷載的均值 ） 假設(shè)支撐體的抗力與圍巖荷載均服從正態(tài)分布，依據(jù)安全系數(shù)法，若 a 、 b 兩件支撐體的安全系數(shù)相同，那么 a 、 b 兩件支撐體的 支護(hù)效果相同，且 bSbRbbSaRa kk ???? ??? , 由 強(qiáng)度 —— 應(yīng)力干涉理論可知，它們失效概率卻相差很大（失效概率與圖中陰影面積 成正比 ） ， a 的失效概率 )(xfaP遠(yuǎn)小于 b 的失效概率 )(xfbP，如圖所示： 安全系數(shù)法并不能真正完全反映應(yīng)力分布和支護(hù)效果， 這也就是實(shí)踐中安全系數(shù)值與支護(hù)效果不相匹配的理論根源。 錨桿支護(hù)已成為礦山井下回采巷道的主要支護(hù)形式，錨桿支護(hù)屬于工程支護(hù)范疇，工程支護(hù)的可靠性是依據(jù)可靠度來(lái)計(jì)算的?？煽慷仁强煽啃愿怕实亩攘?，表示錨桿在巷道 服務(wù)時(shí)間內(nèi)安全支護(hù)的概率。工程支護(hù)可靠度一般用 ? 表示，當(dāng))(xfa aS? aR? )(xfb bS? bR? ?? 時(shí)，這個(gè)工程支護(hù)是可靠的；當(dāng) ?? 時(shí)，認(rèn)為支護(hù)失效。 工程支護(hù)可靠度一般用工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)函數(shù) Z 表示，而影響工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要因素是荷載S 、結(jié)構(gòu)抗力 R ，若選取 nXXX , 21 ? 來(lái)表示工程支護(hù)中的 n 個(gè)互相獨(dú)立的隨機(jī)變量，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)函數(shù)可以表示為： ),( 21 nXXXgSRZ ???? 當(dāng) 0?Z 時(shí)，支護(hù)安全可靠；當(dāng) 0?Z 時(shí)，支護(hù)處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng) 0?Z ，支護(hù)失效。 支撐體的可靠性不僅與 R? 和 S? 有關(guān)，還與它們的離散 程度或變異系數(shù)有關(guān)。 在現(xiàn)有的安全系數(shù)法的基礎(chǔ)上，在不影響 安全系數(shù)的情況下，結(jié)合工程可靠度學(xué)科觀點(diǎn)，承認(rèn)幾乎所有的工程變量都是隨機(jī)變量，充分考慮抗力 、荷載的隨機(jī)性，建立基于可靠度理論的分析方法。 目前，我國(guó)很多礦井的煤巷支護(hù)，為了達(dá)到理想的安全系數(shù)，普遍采取提高支護(hù)密度的方法。這種方法不僅需要花費(fèi)更多的人力物力，而且不一定能達(dá)到理想的支護(hù)效果。從這個(gè)角度出發(fā)，對(duì)支護(hù)可靠性的分析是由重大意義的，減少不必要的人力物力浪費(fèi) ，而且能提供一個(gè)安全可靠的支護(hù)。目的：在不影響安全的前提下，依據(jù)可靠性原理，降低支護(hù)密度，提高 支護(hù)可靠度，從而達(dá)到以最少的資源達(dá)到最理想的支護(hù)效果。 相關(guān)研究概況 國(guó)外 可靠性的發(fā)展史 早在 1939 年 ，美國(guó)提出最早的可靠性指標(biāo)，美國(guó)航空委員會(huì)提出飛機(jī)事故率； 1943 年，美國(guó)成立 “電子管技術(shù)委員會(huì)”并成立“電子管研究小組”，開(kāi)始了電子管的可靠性研究，這是有組織地研究電子管可靠性的開(kāi)始； 1949 年，美國(guó)海軍的電子設(shè)備近 70%失效，美國(guó) 無(wú)線電工程學(xué)會(huì) 成立 第一個(gè)可靠性專業(yè)學(xué)術(shù)組織， 美國(guó) 無(wú)線電工程學(xué)會(huì)可靠性技術(shù)組； 20 世紀(jì) 50 年代，越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍運(yùn)到前線的武器裝備近一半失效；由于設(shè)備的事故 率、故障率不斷提高，美國(guó)國(guó)防部于 1952 年 8 月 21 日，聯(lián)合軍部、工業(yè)辦以及學(xué)術(shù)界成立了“電子設(shè)備可靠性顧問(wèn)組”，也就是 AGREE. 1957 年 6 月 14 日， AGREE 提出了著名的 AGREE報(bào)告，即《軍用電子設(shè)備的可靠性》，標(biāo)志著可靠性成為一門重要的獨(dú)立的學(xué)科 ， 也標(biāo)志著可靠性的研究進(jìn)入萌芽階段。 可靠性雖然在美國(guó)率先被提出，可靠性的最初定義也是由美國(guó) 在 1952 年的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上提出的，但是在 20 世紀(jì) 50 年代，各國(guó)所面臨的都是同樣的問(wèn)題，軍備的事故率，電子產(chǎn)品的失效，可靠性不僅僅在美國(guó)興起。 1944 年，德國(guó)試制 V2 火箭，提出火箭的可靠度是所有元器件的可靠度乘積； 1956 年，日本從美國(guó)引進(jìn)可靠性技術(shù)和經(jīng)濟(jì)管理技術(shù)，成立質(zhì)量管理委員會(huì)，并于同年科技聯(lián)合會(huì)召開(kāi)了第一次可靠性學(xué)術(shù)討論會(huì)； 20 世紀(jì) 50 年代前蘇聯(lián)為了保證人造地球衛(wèi)星的發(fā)射與飛行的可靠性，開(kāi)始了可靠性的一系列研究；同一年代為了解決作戰(zhàn)導(dǎo)彈的可靠性要求，一些國(guó)家也先后開(kāi)展了可靠性的研究，使得可靠性 的發(fā)展進(jìn)入了興盛獨(dú)立的發(fā)展階段。 20世紀(jì) 60 年代，世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了發(fā)展較快的年代，當(dāng)然也迎來(lái)了可靠性的全面發(fā)展階段。 可靠性工程由美國(guó)先行，帶動(dòng)了其他工業(yè)國(guó)， 使得可靠性的 發(fā)展進(jìn)入了空前絕后的狀態(tài)。主要表現(xiàn)在可靠性理論的研究、可靠性的工程方法包括可靠性管理、試驗(yàn)、預(yù)計(jì)、設(shè)計(jì)等。開(kāi)拓了旨在研究失效機(jī)理的可靠性物理這門新學(xué)科； 發(fā)展了故障模式、影響及危害性分析（ FMECA）和故障樹(shù)分析（ FTA 兩種有效的系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)）；開(kāi)展了機(jī)械可靠性的研究；發(fā)展了維修性、人的可靠性和安全性的研究；建立了更有效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)；開(kāi)設(shè)了可靠性教育課程。20 世紀(jì) 60年代中期，日本將美國(guó)在航空航天以及軍事裝備上的可靠性研究成果應(yīng)用到了日本的民用工業(yè)中，尤其是在電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，使得日本的電子業(yè)得到了巨大的 發(fā)展，更使得日本電子業(yè)一直到現(xiàn)在都是 位居世界首位。 進(jìn)入到 20世紀(jì) 70 年代，率先研究可靠性的國(guó)家已進(jìn)入深入研究可靠性的階段，不僅在理論和 研究方法，以及可靠性預(yù)計(jì)、設(shè)計(jì)都有了很大的提高。 我國(guó)可靠性的發(fā)展史 我國(guó)引進(jìn)可靠性技術(shù)相對(duì)來(lái)講較遲， 我國(guó)開(kāi)始接觸可靠性是在 1959 建成了亞熱帶環(huán)境研究所，但是只有三四年的時(shí)間就夭折了。過(guò)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)的可靠性研究基本屬于空白。 我國(guó)真正意義上的引進(jìn)可靠是在 20世紀(jì) 70年代，1976 年頒布了第一個(gè)可靠性的標(biāo)準(zhǔn) SJ104476《可靠性名詞術(shù)語(yǔ)》， 1979 年頒發(fā)了第一個(gè)可靠性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB197779《電子元件失效率試驗(yàn)方法》。 隨著中國(guó)的 改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 20 世紀(jì) 70 年代后期，從解決國(guó)家重點(diǎn)工程元器件的可靠性研究有了飛速的提高。 80 年代，我國(guó)的各種可靠性機(jī)構(gòu)，學(xué)術(shù)團(tuán)體像雨后春筍迅速發(fā)展。在可靠性數(shù)學(xué)和可靠性理論上已達(dá)到一定水平，然而，可靠性技術(shù)在工業(yè)和企業(yè)中的應(yīng)用還不廣泛，與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大差距。 與此同時(shí)，國(guó)外的可靠性研究已從電子設(shè)備和軍用設(shè)備擴(kuò)展到了機(jī)械設(shè)備以及非電子設(shè)備中，尤其是軟件可靠性的發(fā)展，雖然理論上沒(méi)有很大進(jìn)展，但是在實(shí)際應(yīng)用中還是累積 了不少實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。 20 世紀(jì) 90 年代初，中國(guó)原機(jī)械電子工業(yè)部提出了 “ 以科技為先導(dǎo)，以質(zhì)量為主線 ” ，沿著管起來(lái) 、 控制好 、 上水平的發(fā)展模式開(kāi)展可靠性工作，興起了我國(guó)第二次可靠性工作的高潮，取得了較大的成績(jī)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后，由于軟件可靠性問(wèn)題的重要性更加突出和軟件可靠性工程實(shí)踐范疇的不斷擴(kuò)展，軟件可靠性逐漸成為軟件開(kāi)發(fā)者需要考慮的重要因素，軟件可靠性工程在軟件工程領(lǐng)域逐漸取得相對(duì)獨(dú)立的地位，并成為一個(gè)生機(jī)勃勃的分支。 在我國(guó)加入 WTO 之后，經(jīng)濟(jì)要與國(guó)際接軌，企業(yè)產(chǎn)品參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)入國(guó)際經(jīng)濟(jì)的大循環(huán)圈 ，這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。用戶不僅要求產(chǎn)品性能好，更重要的是要求產(chǎn)品的可靠性水平高，這是產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。我國(guó)的可靠性工程水平和國(guó)外還有著一定的差距，還需要繼續(xù)發(fā)展。 可靠性理論研究概況 為了充分考慮不確定因素的影響，中南大學(xué)古德生院士系統(tǒng)研究了“地下金屬礦山無(wú)間柱連續(xù)采礦可靠性分析與設(shè)計(jì)”；遼寧工程 技術(shù)大學(xué)礦山災(zāi)害控制與可持續(xù)發(fā)展研究所在馬云東教授的帶領(lǐng)下，用力學(xué)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的辦法系統(tǒng)研究了“回采巷道錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)”問(wèn)題 ，通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力與錨桿支護(hù)抗力的預(yù)測(cè)與辨識(shí)、錨桿支護(hù)巷道圍 巖穩(wěn)定的基本判據(jù)與極限狀態(tài)方程、基于極限平衡的錨桿支護(hù)巷道可靠性設(shè)計(jì)理論研究、巷道錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算與預(yù)測(cè)和復(fù)雜地層巷道錨網(wǎng)支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)與應(yīng)用等問(wèn)題的研究，建立了“基于可靠性的錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)理論”，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。 何滿潮教授研究懸吊理論模型下煤巷玻璃鋼錨桿支護(hù)穩(wěn)定性的可靠度；王衛(wèi)軍教授研究分析了煤幫錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度；朱川曲教授采用 JC 法計(jì)算了綜 放沿空留巷錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度；鄒常富利用蒙特卡羅法來(lái)計(jì)算較難處理的極限狀態(tài)功能函數(shù) ，還分別推導(dǎo)出了回采巷道兩幫及頂板的極限狀態(tài)功 能函數(shù)。 鄒常富采用蒙特卡羅法計(jì)算可靠度，指出可靠度計(jì)算方法很多，但是各有各的適用性和局限性，具體問(wèn)題具體對(duì)待。 馮國(guó)文指出以安全系數(shù)法為支護(hù)設(shè)計(jì)方法的不理想之處，目前普遍采用加大支護(hù)密度來(lái)保證支護(hù)安全性，但是安全系數(shù)并不能反映井下圍巖條件的隨機(jī)性和模糊性，利用可靠性指標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的安全系數(shù)指標(biāo)；賈紅睿、馬云東指出安全系數(shù)法存在的問(wèn)題，指出兩種具有相同安全系數(shù)支護(hù)的效果差別很大，體現(xiàn)在失效概率上；高謙、馬念杰指出安全系數(shù)的局限性，提出可靠性不是對(duì)安全系數(shù)的完全否定，而是可靠性解決了安全系數(shù)的局限性，更加全面的貼 合實(shí)際，考慮到了影響支護(hù)可靠性的不確定性。 張大明利用數(shù)值模擬軟件 RFPA 對(duì)所創(chuàng)建的回采巷道模型的支護(hù)可靠性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了最佳的支護(hù)方案設(shè)計(jì)。楊軍偉等人基于蒙特卡羅法