采矿工程肖坤

1、玻璃钢锚杆在煤巷支护中的可靠性研究研究生：肖研究生：肖 坤坤 导导 师：李英明师：李英明 副教授副教授1 1. .绪论绪论 2 2. .玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素 3.3.玻璃钢锚杆支护可靠性分析玻璃钢锚杆支护可靠性分析 4.4.现场工业试验现场工业试验 5.5.玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高 6 6. .结论与不足结论与不足 汇汇 报报 提提 纲纲1.1课题来源及背景 矿山井下回采巷道多采用钢锚杆支护，回采巷道内瓦斯涌出量较大，采煤机割煤时易切割到钢锚杆，容易产生火花，会产生瓦斯或煤尘爆炸，不利于生产安全。 玻璃钢锚杆是

2、一种新型的锚杆，是以树脂复合基为基体材料，玻璃纤维作为增强材料。玻璃钢锚杆具有的特点：轻质、高强、易切割、抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳、可设计性强、成型工艺好等。由于玻璃纤维具有脆性，所以玻璃钢锚杆的延伸率很低；玻璃纤维单向排列，玻璃钢锚杆的抗剪强度、抗扭强度较低，抗拉强度大。 山西段王煤业集团，段王矿15煤403回风巷瓦斯涌出量大。原来段王煤矿采用钢锚杆支护煤巷，在回采的过程中常需要提前拆除钢锚杆和金属网，操作过程过于繁琐。如不拆除，采煤机刀头切到钢锚杆易产生火花，钢锚杆缠绕到刀头上还会损坏道具。采用玻璃钢锚杆支护，可以减少不必要的麻烦。1 绪论1.2问题的提出 矿山井下采用锚杆支护巷道时

3、，遵守两条原则：第一，常规的安全分析；第二，遵循标准的安全规范。锚杆支护设计大多采用安全系数法，但是安全系数法并不能完全反映锚杆实际失效情况。1 绪论bSbRbbSaRakk)(xfaP)(xfbP1 绪论1.2.1研究意义 锚杆支护的可靠性不但与荷载和抗力的均值有关，而且与它们的方差和变异系数有关。在现有的安全系数法的基础上，在不影响安全系数的情况下，结合工程可靠度学科观点，认定凡是所有的支护变量或影响支护的参数都属于随机变量，极大限度地考虑支护抗力与荷载的不确定性、随机性和复杂性，创建基于支护可靠性的锚杆支护分析方法和设计方法。 目前，我国很多矿井的煤巷支护，为了达到理想的安全系数，普遍采

4、取提高支护密度的方法。这种方法不仅需要花费更多的人力物力，而且不一定能达到理想的支护效果。从这个角度出发，对支护可靠性的分析是由重大意义的，减少不必要的人力物力浪费，而且能提供一个安全可靠的支护。目的：在不影响安全的前提下，依据可靠性原理，降低支护密度，提高支护可靠度，从而达到以最少的资源达到最理想的支护效果。1.3相关研究概况 国内外可靠性发展史，我国学者在可靠性理论上的探索。与可靠性理论联系紧密的相关理论：安全系数法、极限状态理论和应力干涉理论。1 绪论1.4主要研究内容影响支护可靠性的因素支护可靠性的计算理论及分析方法支护可靠性系统分析玻璃钢锚杆支护设计1.5现存的主要问题（1）对玻璃钢

5、锚杆支护系统的失效机理没有系统的研究。不同材料、结构的玻璃钢锚杆在性能上也有很大的差别。巷帮的条件也没有同一性，巷帮条件的差异与玻璃钢锚杆性能的不同决定了巷帮与锚杆之间有了相互选择性。（2）影响玻璃钢锚杆的支护可靠性的因素过多，绝大多数都具有不确定性；另外，支护可靠性的分析方法过多，但是各有各的适用性和局限性。研究锚杆支护可靠性大多基于钢锚杆，针对玻璃钢锚杆的研究相对较少；缺少提高玻璃钢锚杆支护可靠性的文献资料和现有的结论。（3）巷道条件的多种多样，伴随着采深的增加，对玻璃钢锚杆性能的要求越来越高，所以对玻璃钢锚杆的性能及结构以及新型材料方面需要作进一步的改进。1 绪论定义：构件在规定条件下、

6、规定时间内完成规定任务的概率。相关数学表达式：2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素2.1 支护可靠性的概念RSdttRSRPtR)()()(SRSRdrdsff1ZZ该时间的总失效数总工作时间MTBF2.2支护可靠性模型2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素niiftRPR1)(1 11并niitRR1)(串2.2支护可靠性模型2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素nimjijitRR11 )(11串并njmiijjtRR11)(1 1并串2.3.1煤帮锚杆支护机理2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素 锚杆支护时，锚固头和托盘一起对煤帮施加托锚力，锚杆的轴向作用力P可分解为剪切面上的切向力P1和法向力P2

7、.P1减小了剪切面上的剪切力，P2增大了剪切面上的正应力，因而有利于控制煤体松动。煤帮锚杆还对其作用范围内的煤体提供轴向约束力和径向约束力。轴向约束力可阻止煤体松动；径向约束力是杆体和锚固头提供的抗剪力，它对控制煤体内部的剪切破坏能起到一定的作用。PP2P12.3.2煤帮破坏机理2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素 在回采过程中，煤体受到采动影响后，会改变工作面处煤壁周围原始应力平衡的应力分布状态，表现为水平应力迅速减小，甚至消失。煤体中应力重新分布，会在煤体上方形成超前支承压力，并且造成煤体承受的压力大幅度增加。在外力作用下，煤体产生新的裂隙和节理并破坏了煤体的完整性，煤体发生塑性变形，煤壁表

8、面的位移量增加，最终导致片帮的发生。 由于巷道周围煤体中出现塑性区和片帮会造成跨度增大，而顶板岩梁内的最大拉应力是与巷道跨度的平方成正比的，因而会使得顶板岩梁内的拉应力显著增大。当巷道跨度过大时，顶板便有可能沿巷道两侧整体垮落，造成冒顶事故。煤体发生剪切破坏后，剪切面错距的增大，煤体对顶板的支护能力减小。导致剪切扩容效应，煤体发生侧向膨胀并出现松动，松动会导致片帮，巷道跨度增大，跨度增大又促进了片帮的发生。2.3.3玻璃钢锚杆支护失效机理2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素影响玻璃钢锚杆支护可靠性因素的不确定性：围岩特性的不确定杆体参数的不确定施工质量的不确定模型的不确定影响玻璃钢锚杆支护可靠性

9、的具体因素：煤体力学参数施工选材参数, k ,E ,C2.3.3玻璃钢锚杆支护可靠性影响因素分析2 玻璃钢锚杆支护可靠性的影响因素,mHPdL3.1玻璃钢锚杆支护可靠性分析必要性3 玻璃钢锚杆支护可靠性分析从数学角度分析安全系数法的不合理性2221SRkk3.2.支护可靠性分析方法分析方法：a.疲劳强度可靠性分析法b.故障树分析法c.Petri网分析法d.故障模式、影响和危害性分析法3 玻璃钢锚杆支护可靠性分析3.3玻璃钢锚杆支护系统可靠性分析3 玻璃钢锚杆支护可靠性分析3.4玻璃钢锚杆支护可靠性计算方法1.可靠性可靠性计算理论计算理论a.蒙特卡罗法b.中心点法c.验算点法d.拉克维兹-斯考夫

10、法e.派森黑罗法3 玻璃钢锚杆支护可靠性分析3.4玻璃钢锚杆支护可靠性计算方法蒙特卡罗法：以概率统计为理论基础的一种随机模拟或抽样统计试验的方法，将所求解的问题与一定的概率模型相结合。中心点法：将结构功能函数在随机变量平均值（中心点）处用泰勒级数展开并取线性项，然后近似计算功能函数的平均值和标准差。(结构状态功能函数为非线性时，化为线性)验算点法：中心点法的改进方法，不以通过中心点的超切平面作为先行近似。而是以功能函数Z=0上的某一点的超切平面作为线性近似，以避免误差。拉克维兹-斯考夫法是国际结构安全度联合委员会（JCSS）推荐的方法，又称JC法。在一次二阶矩法的基础上，将不是正态分布的随机变

11、量当量正态化，再求解均值方差来获得可靠度。3 玻璃钢锚杆支护可靠性分析3.5.1单一玻璃钢锚杆可靠度计算巷道两帮稳定的极限状态方程：巷道两帮稳定的极限状态方程：（根据蒙特卡罗法进行迭代）（根据蒙特卡罗法进行迭代）1)(1121ALaLAmiinimntRtRCtR100)(1 )()(3.5.2煤帮璃钢锚杆可靠度计算当至少有根m玻璃钢锚杆支护可靠时，煤帮安全稳定。破坏形式破坏形式数量数量破坏比例破坏比例托盘破裂291.22%托盘破碎150.63%煤壁松散381.59%锚杆劈裂30.13%锚杆破断20.08%锚杆松动50.21%4 现场工业试验4.1回风巷玻璃钢锚杆支护初始设计15煤403回风巷

12、初始设计100010008 0 01 2 0 0现场统计玻璃钢锚杆失效情况4 现场工业试验4.2具体可靠度计算1)(1121ALaLA006. 0cos102 . 1sin101cos104sin105 . 3435 . 255 . 24CCRR根据蒙特卡罗法计算结果与现场统计比较结果相近，初始设计方案合理，还需适当修正。统计结果：0.9614计算结果：0.96064 现场工业试验4.3煤帮深部位移观测 观测结果，150403回风巷煤帮深部位移，随着工作面推进，煤帮具有水平位移，煤帮移动量为80-120mm。浅部位移量较大，深部位移量较小。3m处为弹性区，3m靠近煤帮一侧为弹塑性区和塑性区。根

13、据统计和实测进行分析，玻璃钢锚杆支护回风巷煤帮安全可靠。5 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.1动态支护设计玻璃钢锚杆支护时需要注意而又容易忽视的问题有：（1）合理的孔径差，6-10mm；（2）充分搅拌锚固剂；（3）尽量使锚杆系统内各个部位等强；（4）施加较大的预紧力；（5）施工中减少对巷道顶底板破坏；（6）严格控制支护时间；（7）加强监测保证及时进行二次支护或紧固。5 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.1.1动态支护设计注意的问题5 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.2影响玻璃钢锚杆支护可靠性因素的敏感度分析影响锚固力各因素敏感度分析影响预紧力各因素敏感度分析玻璃钢锚杆杆体参数敏

14、感度分析 )()(212020122120rrrktrrqP102101104 (1)()(1)()f MPSd fffDd2+qkRLz15 . 024nrHkd qLkdLam345. 15 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.2影响玻璃钢锚杆支护可靠性因素的敏感度分析 玻璃钢锚杆锚固力参数、预紧力参数、杆体参数和支护参数都对玻璃钢锚杆支护系统有很大的影响因子，其敏感度都很高，直接影响着玻璃钢锚杆支护可靠性，可根据玻璃钢锚杆影响因子所涉及的方面来提高玻璃钢锚杆支护系统的可靠性。5 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.3提高支护可靠性的具体途径 根据现场统计失效形式及分析，提出具体的玻璃

15、钢锚杆失效形式的对策。具体的失效形式有：托盘破裂、破碎，煤壁松散，锚杆劈裂、破断，锚杆松动。托盘破裂、破碎。增强托盘强度，托盘和煤壁间加入木垫板可以使得托盘受力均匀，且木垫板的强度要比树脂托盘强度低，木垫板的加入使得玻璃钢锚杆具有一种让压的效果。锚杆的劈裂、破段。加大杆体强度，来抵抗由煤体剪切力而产生的对玻璃钢锚杆的偏心荷载。5 玻璃钢锚杆支护可靠性设计方法及提高5.3提高支护可靠性的具体途径锚杆松动。把好锚固质量关。包括：钻孔的施工质量，装锚杆的施工质量。要求锚杆锚固剂煤体三者能够很好的粘结。煤壁破坏。松散破坏的煤壁进行喷浆加固处理。引起煤壁松散破坏的原因：煤壁本身松散破碎；受到采煤的影响，使得煤壁松散。6 主要结论与不足6.1主要结论建立玻璃钢锚杆支护系统的可靠性模型单一玻璃钢锚杆支护系统为并串联系统，整个煤帮大环境的玻璃钢锚杆为并联系统;利用蒙特卡罗法结合当量正态化法来计算玻璃钢锚杆支护系统可靠度，利用故障树分析法对系统可靠性进行分析;现场测玻璃钢锚杆支护巷道，煤帮位移量为80120mm,现场玻璃钢锚杆支护可靠度为0.9614;计算得出可靠度为0.9606；玻璃钢锚杆支护可靠性影响因子的敏感度进行分析，玻璃钢锚杆锚固力参数、预紧力参数、杆体参数和支护参数都对玻璃钢锚杆支护系统有很大的影响因子，其敏感度都很高结合现