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1、基于玻璃钢锚杆的支护可靠性计算方法与设计方法第 1 章 绪论1.1 课题来源及背景自四十年代美国和前苏联率先在井下使用锚杆支护技术以来，锚杆支护发展很快。锚杆的形式、材料及锚杆支护理论和技术都有了很大的提高，目前已成为世界各主要产煤国家巷道支护的一种主要形式。我国从 1956 年开始研究和应用锚杆支护技术，初期主要在较为可靠的岩巷中应用，直到六七十年代才应用于采准巷道，不过也是在顶板极为完整的情况下用来代替工字钢、U 型钢和混凝土支护。但是应用范围比较小，对顶板条件较为苛刻，而且技术不够成熟，因此没有得到大面积的推广，在国内也没有获得更多的关注。随着矿井开采深度的增加，棚式支护（工字钢、U 型
2、钢、梯形棚）都越来越不适应深井高地压采准巷道的支护要求。针对这一状况，我国越来越多的专家、学者以及矿井技术人员开始探索采准巷道的新的支护形式锚杆支护。实践证明锚杆支护是一种快速、安全、经济的巷道支护形式。具有适应围岩变形、重量轻、成本低、运输施工简单方便、安装快速、实现机械化快速掘进、安全可靠性高等优点，并能保持巷道宽敞通畅。随着对锚杆支护机理认识的不断深化和支护技术的不断发展，我国锚杆支护的范围已从硬岩扩展到的软岩，从完整稳定岩层扩展到破碎不稳定岩层，从小断面巷道扩展到大断面巷道、硐室，从新掘进的巷道支护到旧巷道围护，从开拓巷道到采区巷道。锚杆支护的范围越来越广，锚杆支护的理论和技术都在不断
3、发展。从我国开始使用锚杆支护到现在，锚杆支护越来越趋于成熟，技术也在不断更新。锚杆支护的范围也从岩巷扩展到煤巷，但是煤巷的特点是：两帮煤体强度低、松散破碎、裂隙发育。由于煤巷的特点，加上煤巷又受到采动的影响，起初大多数矿井使用强度较大的钢锚杆、钢锚索、金属网来联合支护煤巷。这样的支护的确可靠，但是不得不考虑以下几点。第一，煤巷内采用金属锚杆，采煤机采煤时，刀具切到金属锚杆时会产生火花，而在煤巷内，瓦斯的浓度相对较高，严重影响生产安全。第二，综采工作面，锚杆会经常卷入综采设备中火损坏采煤机刀具火缠绕在采煤机滚筒上不易清除，易造成人员伤害和采煤机损坏。第三，即使锚杆被切断与碎煤同在运输机上运输，碎
4、断锚杆容易划伤皮带，造成不必要的损失。第四，在井下遇有腐蚀水时，金属锚杆还需做防腐处理，带来不必要的成本。考虑到这几点时，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响安全生产的的主要因素，拆除煤壁上的金属锚杆和金属网，如此便增加了采煤的生产工序，浪费人力、物力，影响生产。最重要的一点是，采煤机切割煤壁时会切到金属锚杆，易产生火花，容易造成煤尘瓦斯爆炸，影响工作人员的生命安全，也影响了矿井生产。由于锚杆技术的发展，也为了适应煤巷支护的特点，玻璃钢锚杆的出现无疑是一种很大的技术突破。玻璃钢锚杆是一种以树脂基复合材料制成，它是以合成树脂为基体材料，玻璃纤维及其制品为增强材料组成
5、的复合材料。玻璃钢锚杆具有轻质、高强、易切割、抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳、可设计性强、成型工艺好等优良特点。钢锚杆易腐蚀、笨重、造价高、采煤机切割时易产生火花；木锚杆虽然采煤机切割时不产生火花，但是木锚杆的强度很多时候达不到支护要求。玻璃钢锚杆在成型工艺上具有良好的设计性，并且它的生产线适合量产。玻璃钢锚杆的生产线的主要系统：杆体成型系统、缠绕系统、固化系统、自动控制系统。玻璃钢锚杆的成型工艺也有很多种，手糊、喷射。层压、SMMZ、缠绕、拉挤、模压等成型工艺。其中拉挤成型工艺的玻璃钢锚杆玻璃纤维很高，能达到 。目前，玻璃钢锚杆生产厂家基本采用拉挤成型工艺。拉挤成型工%70艺流程：玻璃纤维无
6、捻粗纱排布、浸胶、预成型、挤压模塑及固化、牵引、切割、制品。玻璃钢锚杆杆体主要由玻璃纤维和聚合树脂组成，其中玻璃纤维一般占杆体的 到 。因此玻璃钢锚杆的主要性能是由玻璃纤维决定的。由607于玻璃纤维具有脆性，所以玻璃钢锚杆的延伸率很低，一般只有 到 。%2.0但是玻璃纤维单向排列，玻璃钢锚杆的抗剪强度、抗扭强度较低；抗拉强度大，有 。Mpa601.2 问题的提出及研究意义锚杆支护作为矿山井下回采巷道的主要支护形式，锚杆支护必须遵守两条原则：第一，常规的安全分析；第二，遵循标准的安全规范。以往的煤巷支护都是采用安全系数的思想，安全系数法的基本思想是依据抗力不得小于荷载的原则，将支撑体的物理几何参
7、数用一个确定的值来计算，得出的结果是一个确定的，一个只与参数均值有关的安全系数 。但是安全系数法存在问题：如果k说安全系数 （ 、 分别为支撑体的抗力与荷载的均值）SRkS假设支撑体的抗力与围岩荷载均服从正态分布，依据安全系数法，若 、 两ab件支撑体的安全系数相同，那么 、 两件支撑体的支护效果相同，且ab,bSRbSRkk由强度应力干涉理论可知，它们失效概率却相差很大（失效概率与图中阴影面积成正比） ， 的失效概率 远小于 的失效概率 ，如图所示：a)(xfaP)(xfbP安全系数法并不能真正完全反映应力分布和支护效果，这也就是实践中安全系数值与支护效果不相匹配的理论根源。锚杆支护已成为矿
8、山井下回采巷道的主要支护形式，锚杆支护属于工程支)(xfaaSaR)(xfbbSbR护范畴，工程支护的可靠性是依据可靠度来计算的。可靠度是可靠性概率的度量，表示锚杆在巷道服务时间内安全支护的概率。工程支护可靠度一般用 表示，当 时，这个工程支护是可靠的；当 时，认为支护失效。工9.0 9.0程支护可靠度一般用工程结构状态函数 表示，而影响工程支护结构的主要因Z素是荷载 、结构抗力 ，若选取 来表示工程支护中的SRnXX,21个互相独立的随机变量，那么支护结构极限状态函数可以表示为：n ),(21ngSZ当 时，支护安全可靠；当 时，支护处于极限平衡状态；当 ，0Z0 0Z支护失效。支撑体的可靠
9、性不仅与 和 有关，还与它们的离散程度或变异系数有RS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，承认几乎所有的工程变量都是随机变量，充分考虑抗力、荷载的随机性，建立基于可靠度理论的分析方法。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
10、。1.3 相关研究概况1.3.1 国外可靠性的发展史早在 1939 年，美国提出最早的可靠性指标，美国航空委员会提出飞机事故率；1943 年，美国成立“电子管技术委员会”并成立“电子管研究小组” ，开始了电子管的可靠性研究，这是有组织地研究电子管可靠性的开始； 1949 年，美国海军的电子设备近 70%失效，美国无线电工程学会成立第一个可靠性专业学术组织，美国无线电工程学会可靠性技术组；20 世纪 50 年代，越南战争期间，美军运到前线的武器装备近一半失效；由于设备的事故率、故障率不断提高，美国国防部于 1952 年 8 月 21 日，联合军部、工业办以及学术界成立了“电子设备可靠性顾问组”
11、，也就是 AGREE. 1957 年 6 月 14 日，AGREE 提出了著名的 AGREE 报告，即军用电子设备的可靠性 ，标志着可靠性成为一门重要的独立的学科，也标志着可靠性的研究进入萌芽阶段。可靠性虽然在美国率先被提出，可靠性的最初定义也是由美国在 1952 年的一次学术会议上提出的，但是在 20 世纪 50 年代，各国所面临的都是同样的问题，军备的事故率，电子产品的失效，可靠性不仅仅在美国兴起。1944 年，德国试制 V-2 火箭，提出火箭的可靠度是所有元器件的可靠度乘积；1956 年，日本从美国引进可靠性技术和经济管理技术，成立质量管理委员会，并于同年科技联合会召开了第一次可靠性学术
12、讨论会；20 世纪 50 年代前苏联为了保证人造地球卫星的发射与飞行的可靠性，开始了可靠性的一系列研究；同一年代为了解决作战导弹的可靠性要求，一些国家也先后开展了可靠性的研究，使得可靠性的发展进入了兴盛独立的发展阶段。20 世纪 60 年代，世界经济进入了发展较快的年代，当然也迎来了可靠性的全面发展阶段。可靠性工程由美国先行，带动了其他工业国，使得可靠性的发展进入了空前绝后的状态。主要表现在可靠性理论的研究、可靠性的工程方法包括可靠性管理、试验、预计、设计等。开拓了旨在研究失效机理的可靠性物理这门新学科；发展了故障模式、影响及危害性分析（FMECA）和故障树分析（FTA 两种有效的系统可靠性分
13、析技术） ；开展了机械可靠性的研究；发展了维修性、人的可靠性和安全性的研究；建立了更有效的数据系统；开设了可靠性教育课程。20 世纪 60 年代中期，日本将美国在航空航天以及军事装备上的可靠性研究成果应用到了日本的民用工业中，尤其是在电子产业中的应用，使得日本的电子业得到了巨大的发展，更使得日本电子业一直到现在都是位居世界首位。进入到 20 世纪 70 年代，率先研究可靠性的国家已进入深入研究可靠性的阶段，不仅在理论和研究方法，以及可靠性预计、设计都有了很大的提高。1.3.2 我国可靠性的发展史我国引进可靠性技术相对来讲较迟，我国开始接触可靠性是在 1959 建成了亚热带环境研究所，但是只有三
14、四年的时间就夭折了。过后的很长一段时间，我国的可靠性研究基本属于空白。我国真正意义上的引进可靠是在 20 世纪 70年代，1976 年颁布了第一个可靠性的标准 SJ1044-76可靠性名词术语 ，1979年颁发了第一个可靠性国家标准 GB1977-79电子元件失效率试验方法 。随着中国的改革开放和经济的高速发展，20 世纪 70 年代后期，从解决国家重点工程元器件的可靠性研究有了飞速的提高。80 年代，我国的各种可靠性机构，学术团体像雨后春笋迅速发展。在可靠性数学和可靠性理论上已达到一定水平，然而，可靠性技术在工业和企业中的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大差距。与此同时，国外的可靠性研究
15、已从电子设备和军用设备扩展到了机械设备以及非电子设备中，尤其是软件可靠性的发展，虽然理论上没有很大进展，但是在实际应用中还是累积了不少实用的经验。20 世纪 90 年代初，中国原机械电子工业部提出了“以科技为先导，以质量为主线” ，沿着管起来、控制好、上水平的发展模式开展可靠性工作，兴起了我国第二次可靠性工作的高潮，取得了较大的成绩。进入 20 世纪 90 年代后，由于软件可靠性问题的重要性更加突出和软件可靠性工程实践范畴的不断扩展，软件可靠性逐渐成为软件开发者需要考虑的重要因素，软件可靠性工程在软件工程领域逐渐取得相对独立的地位，并成为一个生机勃勃的分支。在我国加入 WTO 之后，经济要与国
16、际接轨，企业产品参与国际市场竞争，进入国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。我国的可靠性工程水平和国外还有着一定的差距，还需要继续发展。1.3.3 可靠性理论研究概况为了充分考虑不确定因素的影响，中南大学古德生院士系统研究了“地下金属矿山无间柱连续采矿可靠性分析与设计” ；辽宁工程技术大学矿山灾害控制与可持续发展研究所在马云东教授的带领下，用力学和数学相结合的办法系统研究了“回采巷道锚杆支护可靠性设计”问题，通过对锚杆支护巷道围岩应力与锚杆支护抗力的预测与辨识、锚杆支护巷道围岩稳定的基本判据与极限状态方程、基于极限平衡的锚杆支护巷道可靠性设计理论研究、巷道锚杆支护可靠性设计参数的计算与预测和复杂地层巷道锚网支护可靠性设计与应用等问题的研究，建立了“基于可靠性的锚杆支护可靠性设计理论” ，并开发了相应的计算机辅助系统。何满潮教授研究悬吊理论模型下煤巷玻璃钢锚杆支护稳定性的可靠度
