【文章內(nèi)容簡介】 速率隨時間衰減的情況。但由于剪應(yīng)力較大，形成的新連結(jié)不足抵抗剪應(yīng)力，顆粒集粒繼續(xù)相對位移，此時塑性變形體原有結(jié)構(gòu)開始破壞，原被破壞的連結(jié)又重新連結(jié)起 來，使結(jié)構(gòu)連結(jié)的破壞和重新組合處于動態(tài)平衡，這時塑性變形體處于處于非穩(wěn)定塑性變形的定常階段。 穩(wěn)定流的進一步發(fā)展，使集粒沿剪切方向進一步定向化，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充，破壞了兩者間的平衡，這時應(yīng)變速率突然變大，使其進入非穩(wěn)定塑性變形的第三階段，加速變形階段，導(dǎo)致破壞。 煤巷兩幫煤體強度低、變形量大，而煤幫的穩(wěn)定又是頂板穩(wěn)定的基礎(chǔ)。因此，兩幫成為回采巷道圍巖控制的重點和難點。 巷道開挖后，當(dāng)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(yīng)力極限平衡狀態(tài)。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。 煤幫穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)與安全。就采動而言，其實質(zhì)是回采引起 的支承壓力對巷道的影響。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。 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。當(dāng)巷道 跨度過大時，頂板便有可能沿巷道兩側(cè)整體垮落，造成冒頂事故。必須通過加強煤幫支護來對巷道片幫加以控制，防止因片幫而造成跨度增大。 根據(jù)極限破壞平衡理論，可得出塑性區(qū)煤體的垂直應(yīng)力 y? 和塑性區(qū)寬度0X ， 00t a n200 t a n)t a n( 00 ??? ? ceAPc xmAxy ??? )t a nt a nln (t a n2000000APccHkmAXx??????? 0c 為煤體殘余粘結(jié)力； 0? 為煤體殘余內(nèi)摩擦角； xP 為錨桿的支護阻力； A 為側(cè)壓系數(shù)； k 為應(yīng)力集中系數(shù)； H 為采深； m 為煤層開采厚度； ? 為頂板巖石容重。由上式看出，煤幫錨桿的支護阻力 xP 增大時，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。當(dāng)煤幫錨桿支護阻力 xP 增大到一定程度時，塑性區(qū)寬度將減小到 0，有利于提高煤體的穩(wěn)定性，同時有利于控制頂板變形破壞。 塑性區(qū)垂直應(yīng)力 y? 增大，意味著煤層界面上的正應(yīng)力增大，有利于抑制煤體從底板中擠出。即使煤幫采用錨桿支護，兩幫煤體仍會被擠出，但由于錨桿的作用，煤體擠出的位移量減小，且煤體向巷道內(nèi)位移呈整體性?；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 ??? 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。 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 1c 和內(nèi)摩擦角 1? 比煤體粘結(jié) 力 c 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： 1111 tan??? ?? cxy ， xy1? 、 1? 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： ]1[s in1 s in1 )s in1 s in1(20 ???? ?? ????? mfx xeN )sin1 sin1(20 ??? ??? mfy xeN 其中 m 為巷道高度； ? 為煤體內(nèi)摩擦角； x? 、 y? 分別為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力；0N 為煤幫的支撐能力； f 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 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。 煤幫錨桿支護機理 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 P 可分解為作用于剪切面上的切向力 1P 和法向力 2P 。 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。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 P ，則兩幫處于強度極限時的應(yīng)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(yīng)力提高了 )sin1 sin1(2 ????mfxPe ，從而使切向極限應(yīng)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。由上式可推導(dǎo)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(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。 玻璃鋼錨桿支護失效機理 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。 影響支護可靠性的因素 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。 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。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