【正文】 ? ?????????? ??? nj mi ijj tRR 1 1 )](1[1并串 煤幫破壞機理 未受到采動影響的地下煤體處于應力平衡狀態(tài)，這種情況下煤體可以當成是連續(xù)非均勻介質(zhì)，并具有一定的相對連續(xù)性。煤壁變形大體上可分為初始變形階段、穩(wěn)態(tài)變形階段和加速變形階段。煤幫的變形是由于煤體內(nèi)部的松動和煤體沿煤層界面被擠出而引起的，控制煤體松動和被擠出，防止其片幫是煤幫錨桿支護的目的。 沿煤層界面的變形破壞：煤體的泊松比大于其頂?shù)装鍘r石的泊松比，所以在煤層界面處，煤層與頂?shù)装宓恼辰Y力 1c 和內(nèi)摩擦角 1? 比煤體粘結 力 c 和內(nèi)摩擦角? 值低。 支護作用力分析 將法向支護作用力記為 P ，則兩幫處于強度極限時的應力狀態(tài)為： )s i n1 s i n1(2)s i n1 s i n1(20 ]1[s i n1 s i n1 ??????? ???? ????? mfmfxxx PeeN )s i n1 s i n1(2)s i n1 s i n1(20 s in1 s in1 ??????? ???????? mfmfyxx ePeN 由上式可知，與無支護時的情況相比，支護力使法向應力提高了 )sin1 sin1(2 ????mfxPe ，從而使切向極限應力提高了 )sin1 sin1(2s in1 s in1 ???? ???? mfxeP ，支護力使兩幫所承受的支撐壓力提高了。 錨固方式分為端錨和全錨。玻璃鋼錨桿是一種以樹脂復合材料為 基體，玻璃纖維為增強材料而制成。成巷質(zhì)量和圍巖性質(zhì)有相似之處，成巷質(zhì)量好，容易支護；成巷質(zhì)量差，支護困難，難以保障玻璃鋼錨桿支護可靠。煤體的介質(zhì)表現(xiàn)出了明顯的不連續(xù)性、非均勻性；圍巖分布差異很大，煤體的圍巖性質(zhì)非常復雜。 主要因素 影響支護可靠性的因素過多而且很復雜，且很多具有不確定性，但要對可靠性分析就必須建立其結構狀態(tài)方程。 支護可靠性研究的必要性 常規(guī)的安全分析，大 多采用安全系數(shù)法。 它是以不期望發(fā)生事故為分析目標，繼而找出導致這一故障狀態(tài)發(fā)生的所有可能的直接原因，再進一步找，直至這些可能的直接原因再無分解的原因。安全系數(shù)的計算是自身抗力的均值與荷載均值的比值。顯然，抽樣次數(shù)越多，模擬精度越高。 設計驗算點法 設計驗算點法 是改進的一次二階矩法，與中心點法相比，改進的方向是：不是在均值處按照泰勒級數(shù)展開，而是將按照泰勒展開式的點選在位于極限狀態(tài)曲面上，并且是有最大可能失效概率的點，該點成為設計驗算點。 JC 法和派羅黑摩法是對一次二階二階矩法的進一步改進，針對隨機變量并非正態(tài)分布類型，首先對其當量正態(tài)化，屬于當量正態(tài)分析法；有且僅有少數(shù)的非正態(tài)分布變量時，應用 JC 法 和派羅黑摩法是合適的。黏結失效的主要原因是錨固劑與需要黏結的兩種介質(zhì)沒有很好的黏結。煤體受到地應力影響，會發(fā)生擴容效應，在錨固段、錨尾處完好的情況下，根據(jù)界面力學應力傳遞機理，玻璃鋼錨桿的受到煤體的原巖應力，玻璃鋼錨桿所受的原巖應力作用主要集中在自由段，此時錨桿所受的應力都為錨桿的軸向力。在托盤完好的情況下，那么釋放應力的缺口就是螺母，這時螺母會發(fā)生松動，螺母向后移動，玻璃鋼錨桿支護失效。確定的頂事件是玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)失效。對于隨機變量非正態(tài)的情況，需要進行轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布。 ? 精度較高，但是當 510??fP 時，使用中心點法必須正確估計概率分布類型和聯(lián)合密度分布類型。 從應力分布中隨機抽取一個應力值樣本，再從強度分布中隨機地抽取一個強度值樣本。玻璃鋼錨桿支護屬于工程支護類別，工程中可靠性用可靠度或者失效概率來衡量。當構件在受到交變應力的作用下，當構件低于材料的屈服極限應變時，在構件的應力集中部位處會產(chǎn)生裂紋，裂紋繼續(xù)發(fā)展會導致構件的破壞，整個過程稱為疲勞破壞。支護的原則是抗力不得小于荷載。這兩個模型直接涉及到可靠度的計算，其不確定性對可靠度的結果影響較大。 影響因素的不確定性 圍巖的不確定主要表現(xiàn)在了兩個方面，圍巖固有的不確定性和巖體實驗的不確定性。預緊力的實質(zhì)就是在玻璃鋼錨桿的錨尾結構處是施加扭矩獲得的，錨桿獲得初錨力。煤幫的特性：表面松散破碎區(qū)，深入一段距離為彈塑性區(qū)，再深入為深部彈性區(qū)（如圖所示）。 若煤幫松散破碎程度較大是導致錨桿支護失效的直接原因。錨桿軸向作用力 P 可分解為作用于剪切面上的切向力 1P 和法向力 2P 。 煤幫錨桿主要是對塑性區(qū)，特別是松動區(qū)的煤體進行支護。 巷道開挖后，當幫部為較松軟的煤體時，煤幫破裂區(qū)和塑性區(qū)的煤體處于應力極限平衡狀態(tài)。由于煤的強度較弱，煤幫表面的集中應力會首先使幫部出現(xiàn)塑性變形。如果每個原件的可靠度為 )(tRij ， ni ,2,1 ?? ； imj ,2,1 ?? ?？煽啃允菢嫾谝?guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務的能力主要反映在構件的可靠度、失效概率或平均無故障間隔等。 現(xiàn)存的主要問題 國內(nèi)外學者及相關機構團體對玻璃鋼錨桿的結構、性能做了大量的研究，研制了多中結構形式的玻璃鋼錨 桿，并且進行了設計開發(fā)，經(jīng)過試驗以及實際應用情況，都證明了其在某一方面相比原有的玻璃鋼錨桿有著更好的性能，這是針對玻璃鋼錨桿的又一提高。 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計”；遼寧工程 技術大學礦山災害控制與可持續(xù)發(fā)展研究所在馬云東教授的帶領下，用力學和數(shù)學相結合的辦法系統(tǒng)研究了“回采巷道錨桿支護可靠性設計”問題 ，通過對錨桿支護巷道圍巖應力與錨桿支護抗力的預測與辨識、錨桿支護巷道圍 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巷道可靠性設計理論研究、巷道錨桿支護可靠性設計參數(shù)的計算與預測和復雜地層巷道錨網(wǎng)支護可靠性設計與應用等問題的研究，建立了“基于可靠性的錨桿支護可靠性設計理論”，并開發(fā)了相應的計算機輔助系統(tǒng)。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、預計、設計等。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 支護效果相同，且 bSbRbbSaRa kk ???? ??? , 由 強度 —— 應力干涉理論可知，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力分布和支護效果， 這也就是實踐中安全系數(shù)值與支護效果不相匹配的理論根源。玻璃鋼錨桿是一種以樹脂基復合材料 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材料組成的復合材料。針對這一狀況，我國越來越多的專家、學者以及礦井技術人員開始探索采準巷道的新的支護形式 —— 錨桿支護。 從我國開始使用錨桿支護到現(xiàn)在，錨桿支護越來越趨于成熟，技術也在不斷更新。玻璃鋼錨桿的成型工藝也有很多種，手糊、噴射。 支撐體的可靠性不僅與 R? 和 S? 有關，還與它們的離散 程度或變異系數(shù)有關。過后的很長一段時間，我國的可靠性研究基本屬于空白。楊軍偉等人基于蒙特卡羅法運用Matlab 軟件計算了通過沿空留巷頂板錨桿支護系統(tǒng)錨桿結構的可靠度。 （ 2）影響玻璃鋼錨桿的 支護可靠性的因素過多，除了確定的參數(shù)，絕大多數(shù)都具有不確定性；另外，支護可靠性的分析方法過多，但是各有各的適用性和局限性。規(guī)定條件是井下巷道的環(huán)境下，規(guī)定時間是玻璃鋼錨桿整個服務時間，規(guī)定的任務是安全可靠地完成支護任務。在回采過程中，煤體受到采動影響后，會改變工作面處煤壁周圍原始應力平衡的應力分布狀態(tài)，表現(xiàn)為水平應力迅速減小，甚至消失。初始變形階段經(jīng)歷的時間短，塑性變形發(fā)展很快，但位移速度呈減速發(fā)展；穩(wěn) 態(tài)變形階段的時間段較長，其特點是在此時間段內(nèi)煤體塑性變形的速度大致保持在一個較小的范圍內(nèi)波動，近似看做是一個常量；加速階段的特點是位移速度逐漸增大。 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)的拉應力顯著增大。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，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力和正應力。由上式可推導出支護力 P 的作用下，兩幫發(fā)生破壞（黏聚力變?yōu)?0）后的應力狀態(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度降為 0 而進入松動變形狀態(tài)，在支護力的作用下，可承擔一定的載荷，而且承載能力與支護力大小以及至兩幫表面的距離成正比關系。一般情況下全錨時的錨固力要比端錨時的大，因為錨固劑與桿體和煤這兩種介質(zhì)接觸面積比端錨的大。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。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系。又由于井下條件本身很復雜，煤幫煤體還受到地應力 、地溫和地下水等的影響，這就導致煤體圍巖性質(zhì)更加復雜，不確定性增加。 影響玻璃鋼錨桿支護可靠性的主要因素有，開采參數(shù)、 煤層賦存參數(shù)、玻璃鋼錨桿支護參數(shù)和施工參數(shù)。安全系數(shù)法依據(jù)抗力不得小于荷載 的原則。再無分解的原因包括基本的、故障機理明確的、概率分布已知的或無需分解的原因，它是使用基本演繹法找出頂事件發(fā)生的原因時間組合，并求其概率的分析法。后來人們逐漸意識到安全系數(shù)法不能完全反映出構件在工作時的狀態(tài)，其中包含很多因素的影響，尤其是不確定因素的影響，例如環(huán)境的影響。要獲得可靠的模擬計算結果，往往進行上萬次的模擬，因此 ，隨機模擬需由計算機完成。 不以通過中心點的超切平面作為線性近似，而是以 0?Z 上的某一點 ),( 21 ???? nxxxX ? 的超切平面為線性近似，以避免中心點法的誤差。蒙特卡羅法的適應性強，而且模型簡單，精度較高。分為三種情況， 固劑和桿體很好的黏結但與煤體沒有很好的黏結； ；錨固劑與桿體和圍巖都沒有很好的黏結。作用在錨桿上的軸向力達不到平衡，即原巖應力大于錨桿的抗拉強度，錨桿發(fā)生破斷，直接失效。破裂的情況要比破碎的情況好，托盤雖處于破裂的情形下，但是托盤仍處于支護的工作狀態(tài)；但是破碎，已經(jīng)失效達不玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)失效 抗剪強度不夠 錨固段失效 錨尾失效 桿體破斷 黏結失效 錨固劑和錨桿沒有很好黏結 錨固劑與圍巖和錨桿都沒有很好黏結 圍巖失效 錨固劑和圍巖沒有很好黏結 煤體本身松散破碎 煤體受采動影響 螺母失效 托盤失效 抗拉強度不夠 到支護要求。以分析玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)失效的形式和原因作為分析目的，以引起系統(tǒng)失效的原因作為主要內(nèi)容。 當量正態(tài)化分析法 拉克維茲 —— 斯考夫法是國際結構安全度聯(lián)合委員會推薦的方法，又稱 JC法。由均值和標準差計算可靠度為zz???? .具體表示如下： ?? ??????ni ixinzzixi xgxxxxg122221])[(),(????? ? 根據(jù)概率論中心極限定理得： ???1fP 中心點法特點： 計算簡單，不必知道基本變量的真實概率分布，只需知道其統(tǒng)計參數(shù)：均值、方差或變異系數(shù) ； ? 較小時， fP 較大， fP 對于基本變量聯(lián)合概率分布類型很不敏感，由合理分布計算 fP 在同一個數(shù)量級內(nèi)； ? 較大時， fP 較小， fP 對于基本變量聯(lián)合概率分布類型很敏感，由合理分布計算 fP 在幾個數(shù)量級范圍內(nèi)變化； 中心點法的不足： 不能考慮隨機變量的實際分布，只取隨機變量的一階矩和二階矩。對于隨機性 問題，有時還可以根據(jù)實際物理背景的概率法則，用電子計算機直接進行抽樣試驗，從而求得問題的解答。 可靠 度 的 計算方 法 及其基本原理 可靠性從發(fā)展至今，已經(jīng)逐漸被廣泛應用于航空、軍事、電子、土木、機械、軟件行業(yè)以及相關行業(yè)。建立應力譜和 PSN 曲線需要進行大量實驗實測。 采準巷道內(nèi)，煤巷的圍巖受到采動的影響。 模型的不確定包括兩個方面，一方面是力學模型的不確定，現(xiàn)場支護的抗力有以及圍巖的應力分布都具有不確定性；另一方面，即使力學模型建立完成，數(shù)值計算模型也具有不確定性。 影響支護可靠性的因素 在確定性理論領域中，理論分析得出的結果可以非常精確；但是煤幫支護屬于不確定理論領域，不確定領域中純粹的理論分析是不夠的，得結合工程實際現(xiàn)場實測進行評估，才能得到具體的較為精確的玻璃鋼錨桿支 護可靠度。 預緊力是給玻璃鋼錨桿提供初錨力的主要來源，是實現(xiàn)錨桿主動支護的重要因素。 錨桿長度的選擇對支護效果的影響很大。圍巖的性質(zhì)決定了錨固力大小，一般情況下，錨固段都打入彈性區(qū)或彈塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的煤體過于松散，不利于錨固段很好的工作。煤幫采用錨桿支護