【正文】 值模擬，得到了最佳的支護(hù)方案設(shè)計(jì)。 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)”問題 ，通過對錨桿支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力與錨桿支護(hù)抗力的預(yù)測與辨識、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”，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后，由于軟件可靠性問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)域逐漸取得相對獨(dú)立的地位，并成為一個(gè)生機(jī)勃勃的分支。 80 年代，我國的各種可靠性機(jī)構(gòu)，學(xué)術(shù)團(tuán)體像雨后春筍迅速發(fā)展。 我國可靠性的發(fā)展史 我國引進(jìn)可靠性技術(shù)相對來講較遲， 我國開始接觸可靠性是在 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。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。 可靠性雖然在美國率先被提出，可靠性的最初定義也是由美國 在 1952 年的一次學(xué)術(shù)會議上提出的，但是在 20 世紀(jì) 50 年代，各國所面臨的都是同樣的問題，軍備的事故率，電子產(chǎn)品的失效，可靠性不僅僅在美國興起。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。 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。但是安全系數(shù)法存在問題：如果說安全系數(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。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 。目前，玻璃鋼錨桿生產(chǎn)廠家基本采用拉擠成型工藝。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)。玻璃鋼錨桿是一種以樹脂基復(fù)合材料 制成，它是以合成樹脂為基體材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。第四，在井下遇有腐蝕水時(shí)，金屬錨桿還需做防腐處理，帶來不必要的成本。這樣的支護(hù)的確可靠，但是不得不考慮以下 幾點(diǎn) 。錨桿支護(hù)的范圍越來越廣，錨桿支護(hù)的理論和技術(shù)都在不斷發(fā)展。針對這一狀況，我國越來越多的專家、學(xué)者以及礦井技術(shù)人員開始探索采準(zhǔn)巷道的新的支護(hù)形式 —— 錨桿支護(hù)。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)煤國家巷道支護(hù)的一種主要形式。我國從 1956 年開始研究和應(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，不過也是在頂板極為完整的情況下用來代替工字鋼 、 U型鋼和混凝土支護(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。 從我國開始使用錨桿支護(hù)到現(xiàn)在，錨桿支護(hù)越來越趨于成熟，技術(shù)也在不斷更新。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)會產(chǎn)生火花，而在煤巷內(nèi)，瓦斯的濃度相對較高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。 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)。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)。玻璃鋼錨桿的成型工藝也有很多種，手糊、噴射。 拉擠成型工藝流程：玻璃纖維無捻粗紗排布、浸膠、預(yù)成型、擠壓 模塑及固化、牽引、切割、制品。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 。 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)可靠度來計(jì)算的。 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)。從這個(gè)角度出發(fā)，對支護(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)。 1944 年，德國試制 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，并于同年科技聯(lián)合會召開了第一次可靠性學(xué)術(shù)討論會； 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，一些國家也先后開展了可靠性的研究，使得可靠性 的發(fā)展進(jìn)入了興盛獨(dú)立的發(fā)展階段。開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）和故障樹分析（ FTA 兩種有效的系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)）；開展了機(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)；開設(shè)了可靠性教育課程。過后的很長一段時(shí)間，我國的可靠性研究基本屬于空白。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)國家相比還存在較大差距。 在我國加入 WTO 之后，經(jīng)濟(jì)要與國際接軌，企業(yè)產(chǎn)品參與國際市場競爭，進(jìn)入國際經(jīng)濟(jì)的大循環(huán)圈 ，這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。 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)。楊軍偉等人基于蒙特卡羅法運(yùn)用Matlab 軟件計(jì)算了通過沿空留巷頂板錨桿支護(hù)系統(tǒng)錨桿結(jié)構(gòu)的可靠度。 相關(guān)理論 法 安全系數(shù)最初是在材料力學(xué)中應(yīng)用的，普遍用于土木工程、機(jī)械工程中， 最初定義是用來反映構(gòu)件的安全程度。 對構(gòu)件不斷施加荷載，至構(gòu)件剛好失效的臨界情況，得出構(gòu)件失效時(shí)的臨界許用應(yīng)力。雖然玻璃鋼錨桿在性能和設(shè)計(jì)上都有了很大的提高，但是對玻璃鋼錨桿的研究仍然存在一些問題： （ 1）對玻璃鋼錨桿的失效機(jī)理沒有系統(tǒng)的研究。 （ 2）影響玻璃鋼錨桿的 支護(hù)可靠性的因素過多，除了確定的參數(shù)，絕大多數(shù)都具有不確定性；另外，支護(hù)可靠性的分析方法過多，但是各有各的適用性和局限性。第一，對單一錨桿破壞失效 機(jī)理進(jìn)行研究；第二，對由單一錨桿所組成錨桿支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行失效研究。 （ 3）支護(hù)可靠性的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法 對 支護(hù)可靠性的概念以及可 靠性的計(jì)算理論 及其基本原理進(jìn)行闡述，根據(jù)影響支護(hù)可靠性的因素和數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場的礦壓觀測與錨桿受力觀測提出可行的設(shè)計(jì)方案?？煽啃钥梢钥闯墒菢?gòu)件“規(guī)定條件”和“規(guī)定時(shí)間”的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的約束條件就是“規(guī)定條件”和“規(guī)定時(shí)間”。規(guī)定條件是井下巷道的環(huán)境下，規(guī)定時(shí)間是玻璃鋼錨桿整個(gè)服務(wù)時(shí)間，規(guī)定的任務(wù)是安全可靠地完成支護(hù)任務(wù)。 MTBF 表示可修復(fù)的部件、元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)，在相鄰失效間隔的平均工作時(shí)間，也稱平均壽命。這 n 個(gè)原件任意元件的可靠度為 )(tRi ，其中 ),2,1( ni ?? ，那么串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度是這 n 個(gè)原件可靠度的乘積，系統(tǒng)可靠度 串R 可以表示為： ??? ni i tRR 1 )(串 對于一個(gè)特定的系統(tǒng)，若這個(gè)系統(tǒng)包含 n 個(gè)原件 nRRR , 21 ? ，只有當(dāng) n 個(gè)原件全部失效時(shí)，系統(tǒng)才失效，那么這系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)串聯(lián)和并聯(lián)的可靠度公式可得串并聯(lián)系統(tǒng)可靠度 串并R ， 串并R 可以表示為 ? ?? ???? ni mj iji tRR 1 1 ])([11串并 并串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖如圖 所示，整個(gè)大系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)， 其 每個(gè)子系統(tǒng)是 并聯(lián)系統(tǒng)。在回采過程中，煤體受到采動(dòng)影響后，會改變工作面處煤壁周圍原始應(yīng)力平衡的應(yīng)力分布狀態(tài)，表現(xiàn)為水平應(yīng)力迅速減小，甚至消失。煤體發(fā)生破碎后，由于所處客觀條件如生產(chǎn)工藝的限制難以給煤壁施加圍壓，即煤壁不能處于三向受壓的狀態(tài)，工作面附近的煤體會處于單向應(yīng)力狀態(tài)或者二向應(yīng)力狀態(tài)下，其承載能力大大降低，煤體的極限強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤體上方應(yīng)力值，均會導(dǎo)致煤壁表面的位移量增加，最終導(dǎo)致片幫的發(fā)生。 剪切破壞：對于軟煤層而言，在煤體自重及頂板壓力作用下，煤壁內(nèi)也會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，但是軟煤層的橫向及蠕動(dòng)變形會釋放或緩解由于壓縮而產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力，最終由于煤壁內(nèi)的剪切應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。受到水平應(yīng)力的剪切作用后，表面塑性區(qū)煤層會向巷道內(nèi)擠出而發(fā)生松動(dòng)。初始變形階段經(jīng)歷的時(shí)間短，塑性變形發(fā)展很快，但位移速度呈減速發(fā)展；穩(wěn) 態(tài)變形階段的時(shí)間段較長，其特點(diǎn)是在此時(shí)間段內(nèi)煤體塑性變形的速度大致保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，近似看做是一個(gè)常量；加速階段的特點(diǎn)是位移速度逐漸增大。瞬時(shí)應(yīng)變后，在不變的剪應(yīng)力作用下，塑 性變形體隨時(shí)間的增長繼續(xù)變形，但其應(yīng)變速率卻隨時(shí)間而衰退。 穩(wěn)定流的進(jìn)一步發(fā)展，使集粒沿剪切方向進(jìn)一步定向化，使這種重新組成的連結(jié)不牢固，這樣就使原有結(jié)構(gòu)連結(jié)的破壞得不到完全的補(bǔ)充，破壞了兩者間的平衡，這時(shí)應(yīng)變速率突然變大，使其進(jìn)入非穩(wěn)定塑性變形的第三階段，加速變形階段，導(dǎo)致破壞。由于 煤體的泊松比比頂?shù)装鍘r石大，煤層與頂板巖石界面上的黏聚力和內(nèi)摩擦角較兩幫煤體偏低，極限平衡區(qū)的煤體趨于從頂?shù)装鍘r石中擠出，在煤層界面上產(chǎn)生水平向右的剪應(yīng)力。 由于巷道周圍煤體中出現(xiàn)塑性區(qū)和片幫會造成跨度增大，而頂板巖梁內(nèi)的最大拉應(yīng)力是與巷道跨度的平方成正比的，因而會使得頂板巖梁內(nèi)的拉應(yīng)力顯著增大。由上式看出，煤幫錨桿的支護(hù)阻力 xP 增大時(shí)，塑性區(qū)煤體的垂直應(yīng)力 y? 將 顯著增大，塑性區(qū)寬度 0X 將明顯減小?；夭上锏绹鷰r變形呈由煤壁向煤體深部逐漸變小 的趨勢，煤體淺部變形大，煤體深部變形小。 煤體內(nèi)部變形破壞：在一定的圍巖應(yīng)力作用下，煤體破壞大多為剪切破壞，其破壞符合莫爾 —— 庫倫條件，即 ??? tan??c ， ? 、 ? 分別是剪切面上的剪切力和正應(yīng)力； c 、 ? 分別是煤體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。巷道開挖后，煤層界面處將首先出現(xiàn)塑性變形和破壞，此時(shí)，塑性區(qū)中煤體最容易被擠出，沿煤層界面的破壞條件為： 1111 tan??? ?? cxy ， xy1? 、 1? 為煤層界面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。 巷道無支護(hù)條件下破壞機(jī)理分析： 。此時(shí)，兩幫表面部分破壞嚴(yán)重的煤體抗壓強(qiáng)度完全喪失，形成 x? = y? =0 的應(yīng)力狀態(tài)，從而使深部煤體失去約束，并發(fā)生巷道圍巖的連鎖式破壞、失 穩(wěn)現(xiàn)象。 1P 減小了剪切面上的剪切力， 2P 增大了剪切面上 的正應(yīng)力，因而有利于控制煤體松動(dòng)。由上式可推導(dǎo)出支護(hù)力 P 的作用下，兩幫發(fā)生破壞（黏聚力變?yōu)?0）后的應(yīng)力狀態(tài)為： )sin1 sin1(2 ??? ??? mfx xPe )s in1 s in1(2s in1 s in1 ????? ????? mfyxeP 可見使兩幫單軸抗壓強(qiáng)度降為 0 而進(jìn)入松動(dòng)變形狀態(tài)，在支護(hù)力的作用下，可承擔(dān)一定的載荷，而且承載能力與支護(hù)力大小以及至兩幫表面的距離成正比關(guān)系。采用事故樹的分析方法，將玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)的四個(gè)子系統(tǒng)再進(jìn)行劃分，直至分解到所有因素不能再分解為止。煤層的普氏系數(shù)小于 2，硬度過小，這是導(dǎo)致支護(hù)困難的原因，支護(hù)越困難就越難保證支護(hù)有效。黏結(jié)式錨桿錨固 類型一般有水泥、水泥砂漿、數(shù)值錨固劑等。一般情況下全錨時(shí)的錨固力要比端錨時(shí)的大，因?yàn)殄^固劑與桿體和煤這兩種介質(zhì)接觸面積比端錨的大。根據(jù)應(yīng)力傳遞機(jī)理，錨固力的獲得除了需要錨固劑與桿體和煤這兩種介質(zhì)很好的黏結(jié)，還需要錨尾處托盤有很好的承載力。玻璃鋼錨桿支護(hù)煤幫時(shí)，常會發(fā)生桿體破斷的現(xiàn)象。玻璃鋼錨桿在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，先打鉆孔，再裝入玻璃鋼和錨固劑，若錨桿長度達(dá)不到要求，錨桿的錨固段不能進(jìn)入彈塑性區(qū)。玻璃鋼錨桿內(nèi)部玻璃纖維束呈縱向排列，而且玻璃鋼錨桿的 70%的成分為玻璃纖維。 支護(hù)密度影響的不是單一錨桿，而是一片區(qū)域內(nèi)的玻璃鋼錨桿。一般情況下，便于施工，煤幫錨桿角度都選擇水平。若在開始時(shí)，錨桿的打入，沒有添加預(yù)緊力，錨尾結(jié)構(gòu)容易松動(dòng)，達(dá)不到支護(hù)要求， 容易造成失效。只是成巷質(zhì)量屬于施工質(zhì)量子系統(tǒng)，與人為因素有很大關(guān)系。為減少不必要的麻煩，須及時(shí)支護(hù)。支護(hù)質(zhì)量不好主要體現(xiàn)在，錨桿打入后，錨固劑與錨桿沒有很好的黏結(jié)就擰上托盤和螺母，不能使錨固段獲