【文章內(nèi)容簡介】 形小。煤幫變形破壞特征：巷道開挖后，兩幫便產(chǎn)生了集中應(yīng)力，巷幫煤體由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)。煤幫在集中應(yīng)力作用下會形成塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，在塑性區(qū)內(nèi)還會出現(xiàn)松動區(qū)。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。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，、分別是剪切面上的剪切力和正應(yīng)力；、分別是煤體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。煤體發(fā)生剪切破壞后，剪切面錯距的增大，煤體對頂板的支護能力減小。導(dǎo)致剪切擴容效應(yīng)，煤體發(fā)生側(cè)向膨脹并出現(xiàn)松動，松動會導(dǎo)致片幫，巷道跨度增大。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(jié)力和內(nèi)摩擦角比煤體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角值低。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：，、為煤層界面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。煤體松動使其承載能力降低，煤層界面上的正應(yīng)力減小，使其煤體容易被擠出。煤體一旦被擠出，會導(dǎo)致煤體更加松動。煤幫的兩種變形破壞是相互影響的。巷道無支護條件下破壞機理分析：。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)下的極限平衡分析可得：無支護是兩幫中的極限應(yīng)力狀態(tài)為：其中為巷道高度；為煤體內(nèi)摩擦角；、分別為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力；為煤幫的支撐能力；為層間摩擦系數(shù)。隨著應(yīng)力場變化，巷道兩幫因鉛垂應(yīng)力達到極限而發(fā)生壓縮破壞，進而在兩幫煤體中產(chǎn)生松動破壞圈，減弱巷道幫部對頂板的支撐，使得頂?shù)装鍘r層因兩幫支撐能力的減弱而造成撓度的增大，發(fā)生頂?shù)装鍘r層的折斷。此時，兩幫表面部分破壞嚴(yán)重的煤體抗壓強度完全喪失，形成==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。煤幫變形破壞是由煤體內(nèi)部松動和煤體沿煤層界面被擠出引起的，控制煤體松動和被擠出是煤幫錨桿支護的目的。煤幫采用錨桿支護時，由錨固頭和托板一起對煤幫施加托錨力。錨桿軸向作用力可分解為作用于剪切面上的切向力和法向力。減小了剪切面上的剪切力，增大了剪切面上的正應(yīng)力，因而有利于控制煤體松動。煤幫錨桿還對其作用范圍內(nèi)的煤體提供軸向約束力和徑向約束力。軸向約束力可阻止煤體松動；徑向約束力是桿體和錨固頭提供的抗剪力，它對控制煤體內(nèi)部的剪切破壞能起到一定的作用。支護作用力分析將法向支護作用力記為，則兩幫處于強度極限時的應(yīng)力狀態(tài)為：由上式可知，與無支護時的情況相比，支護力使法向應(yīng)力提高了，從而使切向極限應(yīng)力提高了，支護力使兩幫所承受的支撐壓力提高了。由上式可推導(dǎo)出支護力的作用下，兩幫發(fā)生破壞（黏聚力變?yōu)?）后的應(yīng)力狀態(tài)為：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(dān)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(guān)系。玻璃鋼錨桿支護時，可看成是一個系統(tǒng)。玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)主要由玻璃鋼錨桿、樹脂托盤、樹脂螺母以及錨固劑組成。玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)可分為四個子系統(tǒng)，錨固段子系統(tǒng)、桿體參數(shù)子系統(tǒng)、支護參數(shù)子系統(tǒng)和施工質(zhì)量子系統(tǒng)。采用事故樹的分析方法，將玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)的四個子系統(tǒng)再進行劃分，直至分解到所有因素不能再分解為止。具體劃分如圖所示：錨固段子系統(tǒng)：錨固段子系統(tǒng)包括四個因素，圍巖性質(zhì)、錨固類型、錨固方式和錨固力。每考慮其中一個因素時，視其他因素對其不影響。玻璃鋼錨桿支護煤幫時，煤幫的圍巖性質(zhì)基本上處于松散破碎、裂隙發(fā)育的特性。煤層的普氏系數(shù)小于2，硬度過小，這是導(dǎo)致支護困難的原因，支護越困難就越難保證支護有效。圍巖——錨固劑——桿體這三種介質(zhì)很好的黏結(jié)，才能獲得錨固力。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。若煤幫松散破碎程度較大是導(dǎo)致錨桿支護失效的直接原因。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。玻璃鋼錨桿選用數(shù)值錨固劑，能更好和桿體黏結(jié)，起到增強錨固力作用。錨固類型的選擇很重要，錨固類型是導(dǎo)致玻璃鋼錨桿失效的直接原因。錨固方式分為端錨和全錨。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。錨固長度的選擇很重要，錨固長度是導(dǎo)致玻璃鋼錨桿失效的直接原因。錨固力是導(dǎo)致玻璃鋼錨桿失效的主要原因。錨固力的獲得主要是桿體——錨固劑——煤這三種介質(zhì)很好的黏結(jié)下產(chǎn)生的。根據(jù)應(yīng)力傳遞機理，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。煤幫對托盤的應(yīng)力超過錨固力（桿體不發(fā)生破斷的情況下），支護失效。桿體參數(shù)子系統(tǒng)：桿體參數(shù)子系統(tǒng)包括三個因素：錨桿強度、錨桿長度和錨桿直徑。錨桿強度是玻璃鋼錨桿支護失效的直接原因。玻璃鋼錨桿支護煤幫時，常會發(fā)生桿體破斷的現(xiàn)象。在錨固段不發(fā)生破壞、錨尾不發(fā)生的情況下，桿體破斷的唯一原因是因為玻璃鋼錨桿桿體強度過低，達不到支護要求，支護失效。錨桿長度的選擇對支護效果的影響很大。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）。玻璃鋼錨桿在進行支護時，先打鉆孔，再裝入玻璃鋼和錨固劑，若錨桿長度達不到要求，錨桿的錨固段不能進入彈塑性區(qū)。若沒有進入到彈塑性區(qū)，錨桿可能會連著煤幫淺部直接大面積垮落、坍塌。錨桿直徑的選擇，關(guān)系到錨桿的強度。玻璃鋼錨桿是一種以樹脂復(fù)合材料為基體，玻璃纖維為增強材料而制成。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。在相同長度的情況下，錨桿直徑與玻璃纖維含量成正比，也與錨桿的抗拉強度成正比。錨桿直徑不達標(biāo)，錨桿抗拉強度不達標(biāo)，最終會導(dǎo)致失效。支護參數(shù)子系統(tǒng)：支護參數(shù)子系統(tǒng)分為三個因素：支護密度、錨桿角度和預(yù)緊力。支護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。煤幫淺部松散破碎，某一根錨桿的失效，這根錨桿所支護的區(qū)域，由于擴容效應(yīng)，會引起周圍局部區(qū)域內(nèi)錨桿的失效。支護密度對于玻璃鋼錨桿失效的影響是很大的，容易造成大面積錨桿支護失效、煤幫局部區(qū)域內(nèi)垮落、坍塌。錨桿角度的選擇針對某一單根錨桿不是具有特別大的意義。一般情況下，便于施工，煤幫錨桿角度都選擇水平。在對玻璃鋼錨桿支護系統(tǒng)進行分析時，可近似看作為一個常量。預(yù)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。預(yù)緊力的實質(zhì)就是在玻璃鋼錨桿的錨尾結(jié)構(gòu)處是施加扭矩獲得的，錨桿獲得初錨力。若在開始時，錨桿的打入，沒有添加預(yù)緊力，錨尾結(jié)構(gòu)容易松動，達不到支護要求，容易造成失效。施工質(zhì)量子系統(tǒng)：施工質(zhì)量子系統(tǒng)包括三個因素：成巷質(zhì)量、支護時間和支護質(zhì)量。成巷質(zhì)量是保證玻璃鋼錨桿支護可靠的重要因素。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。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。支護時間，一定要做到及時支護。巷道開掘后及時進行支護，可減少不必要的麻煩。若沒有及時支護容易造成煤壁松散破碎，支護時困難，需要對煤壁進行加固處理。為減少不必要的麻煩，須及時支護。支護質(zhì)量是玻璃鋼錨桿支護的重中之重。煤幫為支護對象，錨桿為支護體，工人為整個支護的執(zhí)行者。支護質(zhì)量是檢測支護效果的一個重要結(jié)果。支護質(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，不能使錨固段獲得很好的錨固力；擰托盤和螺母時，沒有擰緊容易造成預(yù)緊力達不到要求，錨尾處松動等。工人的質(zhì)量成為整個支護的關(guān)鍵。在確定性理論領(lǐng)域中，理論分析得出的結(jié)果可以非常精確；但是煤幫支護屬于不確定理論領(lǐng)域，不確定領(lǐng)域中純粹的理論分析是不夠的，得結(jié)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。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。井下條件復(fù)雜，尤其是采準(zhǔn)巷道，受到采動的影響較大。煤巷中煤壁本身松散破碎、裂隙發(fā)育；煤幫煤體可分為三個區(qū)域：淺部塑性區(qū)、中部彈塑性區(qū)和深部彈性區(qū)。淺部和中部由于煤體自身特性，煤體分布具有不連續(xù)性，其結(jié)構(gòu)在空間上的排布差異性很大。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(fù)雜。又由于井下條件本身很復(fù)雜，煤幫煤體還受到地應(yīng)力、地溫和地下水等的影響，這就導(dǎo)致煤體圍巖性質(zhì)更加復(fù)雜，不確定性增加。測煤的硬度系數(shù)時，取樣到實驗這當(dāng)中的環(huán)節(jié)也具有很大的不確定性。首先，取樣時，搬運過程中可能對煤塊有不同程度的破壞，使其失去原有的狀態(tài)；其次，在實驗室實驗時，并不能真正模擬現(xiàn)場時的情況；最后，根據(jù)普氏系數(shù)計算，獲得的值也是近似值?？偠灾?，煤體的巖性具由較大程度地不確定性和復(fù)雜性。自錨桿支護成為井下巷道的主要支護形式以來，關(guān)于錨桿的一系列研究已經(jīng)取得了很多成果。單論玻璃鋼錨桿而言，錨桿的成型工藝、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都有很大的提高。煤幫玻璃鋼錨桿支護的材料不確定主要體現(xiàn)在，玻璃鋼錨桿成型工藝、結(jié)構(gòu)、材料組成、性能以及玻璃鋼錨桿的桿體參數(shù)等。玻璃鋼錨桿成型工藝有手糊、噴射、層壓、纏繞和拉擠等，其中以拉擠成型工藝最受青睞，便于生產(chǎn)線上生產(chǎn)，而且拉擠成型工藝生產(chǎn)出的錨桿，桿體性能較其他工藝優(yōu)越；玻璃鋼錨桿的結(jié)構(gòu)多種多樣，不同的結(jié)構(gòu)有著不同的性能，也有其不同的適應(yīng)性；材料組成多為樹脂復(fù)合材料和玻璃纖維，樹脂復(fù)合材料選取有所不同，而且玻璃纖維占桿體中的配比有所不同，一般玻璃纖維的成分比為60%~70%；性能的差異取決于結(jié)構(gòu)和材料的配比，體現(xiàn)在錨桿的抗拉強度、抗剪強度、抗扭強度和延伸率等；桿體物理幾何參數(shù)的差異性主要體現(xiàn)在錨桿長度、直徑、螺母與螺紋間的滑動摩擦系數(shù)、螺紋導(dǎo)程、螺距等；錨固劑基本選用樹脂錨固劑，樹脂錨固劑的型號選擇具有不確定性；玻璃鋼錨桿本身就有這么多參數(shù)，選取玻璃鋼錨桿作為支護時材料的選取也具有很大的不確定性。煤巷的成巷質(zhì)量不確定，由于受到地應(yīng)力和煤體本身特性的影響，掘成的巷道質(zhì)量具有不確定性；支護時間上，有的及時支護，有的未及時支護，有的需要進行二次支護；安裝錨桿時打鉆孔的參數(shù)也具有不確定性，鉆孔的直徑、鉆孔的深度以及表面粗糙度；支護質(zhì)量上的不確定體現(xiàn)在，支護是否及時、鉆孔深度不一、操作沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、錨固劑與桿體和煤是否很好地黏結(jié)等。施工質(zhì)量方面不確定性不亞于圍巖、桿體參數(shù)的不確定性。模型的不確定包括兩個方面，一方面是力學(xué)模型的不確定，現(xiàn)場支護的抗力有以及圍巖的應(yīng)力分布都具有不確定性；另一方面，即使力學(xué)模型建立完成，數(shù)值計算模型也具有不確定性。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(jié)果影響較大。綜上所述，玻璃鋼錨桿支護煤巷時，不確定因素較多，主要體現(xiàn)在圍巖、錨桿和施工質(zhì)量上的不確定。這些不確定性因素，一方面來源于固有的（非人為所能改變）不確定性，主要是研究對象本身的不確定性以及認識上的局限性和模糊性；另一方面來源于人為選擇、施工的不確定性，體現(xiàn)在操作過程中存在的誤差和局限性。玻璃鋼錨桿支護中，存在的問題是不確定因素過多，而且非常復(fù)雜，很多參數(shù)具有隨機性、模糊性，對于支護問題還存在認識上的局限性。影響支護可靠性的因素過多而且很復(fù)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(jié)構(gòu)狀態(tài)方程。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)。開采參數(shù)：開采深度、工作面推進速度、采高與控頂距；煤層賦存參數(shù)：直接頂參數(shù)、老頂參數(shù)、煤層傾角；支護參數(shù)：初錨力、預(yù)緊力、間排距和錨桿角度。施工參數(shù)：支護時間、支護質(zhì)量、成巷質(zhì)量和后期維護參數(shù)。根據(jù)煤幫破壞機理、玻璃鋼錨桿支護機理和玻璃鋼錨桿失效機理的研究，將影響支護可靠性的因素分為兩大類：自然因素和人為因素。自然因素為人力不可控制，研究對象固有的特性；人為因素是人在工作生產(chǎn)中，可以選擇或控制的因素。煤巷內(nèi)煤幫和頂板不僅僅是荷載的給予者，同時還承受著外部巖體的荷載，在整個過程中，煤巷圍巖還起著承載結(jié)構(gòu)的作用。反映煤巷圍巖力學(xué)性質(zhì)的主要因素是煤層與頂?shù)装彘g界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，煤體的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角；煤體的彈性模量；抗壓強度和殘余強度；側(cè)壓系數(shù)；應(yīng)力集中系數(shù)；頂板巖石容重等。通常情況下，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。煤體力學(xué)性質(zhì)越好，則煤體的和值越大，反之和值越小，它的大小直接影響著作為承載結(jié)構(gòu)煤幫的承載能力。圍巖因素屬于自然因素范疇。采準(zhǔn)巷道內(nèi)，煤巷的圍巖受到采動的影響。支護的原則是抗力不得小于荷載。受到采動影響的因素主要有：煤層開采厚度，采深；使用玻璃鋼錨桿支護時，錨桿的支護阻力；玻璃鋼錨桿的直徑、長度；以及支護參數(shù)和施工參數(shù)都是人為可以控制的，屬于人為因素。第三章 支護可靠性分析錨桿支護必須遵循兩個規(guī)則：常規(guī)的安全分析、標(biāo)準(zhǔn)的