采礦工程肖坤

1、玻璃鋼錨桿在煤巷支護(hù)中的可靠性研究研究生：肖研究生：肖 坤坤 導(dǎo)導(dǎo) 師：李英明師：李英明 副教授副教授1 1. .緒論緒論 2 2. .玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素 3.3.玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析 4.4.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn) 5.5.玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高 6 6. .結(jié)論與不足結(jié)論與不足 匯匯 報(bào)報(bào) 提提 綱綱1.1課題來源及背景 礦山井下回采巷道多采用鋼錨桿支護(hù)，回采巷道內(nèi)瓦斯涌出量較大，采煤機(jī)割煤時(shí)易切割到鋼錨桿，容易產(chǎn)生火花，會(huì)產(chǎn)生瓦斯或煤塵爆炸，不利于生產(chǎn)安全。 玻璃鋼錨桿是

2、一種新型的錨桿，是以樹脂復(fù)合基為基體材料，玻璃纖維作為增強(qiáng)材料。玻璃鋼錨桿具有的特點(diǎn)：輕質(zhì)、高強(qiáng)、易切割、抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝好等。由于玻璃纖維具有脆性，所以玻璃鋼錨桿的延伸率很低；玻璃纖維單向排列，玻璃鋼錨桿的抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度大。 山西段王煤業(yè)集團(tuán)，段王礦15煤403回風(fēng)巷瓦斯涌出量大。原來段王煤礦采用鋼錨桿支護(hù)煤巷，在回采的過程中常需要提前拆除鋼錨桿和金屬網(wǎng)，操作過程過于繁瑣。如不拆除，采煤機(jī)刀頭切到鋼錨桿易產(chǎn)生火花，鋼錨桿纏繞到刀頭上還會(huì)損壞道具。采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，可以減少不必要的麻煩。1 緒論1.2問題的提出 礦山井下采用錨桿支護(hù)巷道時(shí)

3、，遵守兩條原則：第一，常規(guī)的安全分析；第二，遵循標(biāo)準(zhǔn)的安全規(guī)范。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)大多采用安全系數(shù)法，但是安全系數(shù)法并不能完全反映錨桿實(shí)際失效情況。1 緒論bSbRbbSaRakk)(xfaP)(xfbP1 緒論1.2.1研究意義 錨桿支護(hù)的可靠性不但與荷載和抗力的均值有關(guān)，而且與它們的方差和變異系數(shù)有關(guān)。在現(xiàn)有的安全系數(shù)法的基礎(chǔ)上，在不影響安全系數(shù)的情況下，結(jié)合工程可靠度學(xué)科觀點(diǎn)，認(rèn)定凡是所有的支護(hù)變量或影響支護(hù)的參數(shù)都屬于隨機(jī)變量，極大限度地考慮支護(hù)抗力與荷載的不確定性、隨機(jī)性和復(fù)雜性，創(chuàng)建基于支護(hù)可靠性的錨桿支護(hù)分析方法和設(shè)計(jì)方法。 目前，我國(guó)很多礦井的煤巷支護(hù)，為了達(dá)到理想的安全系數(shù)，普遍采

4、取提高支護(hù)密度的方法。這種方法不僅需要花費(fèi)更多的人力物力，而且不一定能達(dá)到理想的支護(hù)效果。從這個(gè)角度出發(fā)，對(duì)支護(hù)可靠性的分析是由重大意義的，減少不必要的人力物力浪費(fèi)，而且能提供一個(gè)安全可靠的支護(hù)。目的：在不影響安全的前提下，依據(jù)可靠性原理，降低支護(hù)密度，提高支護(hù)可靠度，從而達(dá)到以最少的資源達(dá)到最理想的支護(hù)效果。1.3相關(guān)研究概況 國(guó)內(nèi)外可靠性發(fā)展史，我國(guó)學(xué)者在可靠性理論上的探索。與可靠性理論聯(lián)系緊密的相關(guān)理論：安全系數(shù)法、極限狀態(tài)理論和應(yīng)力干涉理論。1 緒論1.4主要研究?jī)?nèi)容影響支護(hù)可靠性的因素支護(hù)可靠性的計(jì)算理論及分析方法支護(hù)可靠性系統(tǒng)分析玻璃鋼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)1.5現(xiàn)存的主要問題（1）對(duì)玻璃鋼

5、錨桿支護(hù)系統(tǒng)的失效機(jī)理沒有系統(tǒng)的研究。不同材料、結(jié)構(gòu)的玻璃鋼錨桿在性能上也有很大的差別。巷幫的條件也沒有同一性，巷幫條件的差異與玻璃鋼錨桿性能的不同決定了巷幫與錨桿之間有了相互選擇性。（2）影響玻璃鋼錨桿的支護(hù)可靠性的因素過多，絕大多數(shù)都具有不確定性；另外，支護(hù)可靠性的分析方法過多，但是各有各的適用性和局限性。研究錨桿支護(hù)可靠性大多基于鋼錨桿，針對(duì)玻璃鋼錨桿的研究相對(duì)較少；缺少提高玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的文獻(xiàn)資料和現(xiàn)有的結(jié)論。（3）巷道條件的多種多樣，伴隨著采深的增加，對(duì)玻璃鋼錨桿性能的要求越來越高，所以對(duì)玻璃鋼錨桿的性能及結(jié)構(gòu)以及新型材料方面需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。1 緒論定義：構(gòu)件在規(guī)定條件下、

6、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的概率。相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式：2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素2.1 支護(hù)可靠性的概念RSdttRSRPtR)()()(SRSRdrdsff1ZZ該時(shí)間的總失效數(shù)總工作時(shí)間MTBF2.2支護(hù)可靠性模型2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素niiftRPR1)(1 11并niitRR1)(串2.2支護(hù)可靠性模型2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素nimjijitRR11 )(11串并njmiijjtRR11)(1 1并串2.3.1煤幫錨桿支護(hù)機(jī)理2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素 錨桿支護(hù)時(shí)，錨固頭和托盤一起對(duì)煤幫施加托錨力，錨桿的軸向作用力P可分解為剪切面上的切向力P1和法向力P2

7、.P1減小了剪切面上的剪切力，P2增大了剪切面上的正應(yīng)力，因而有利于控制煤體松動(dòng)。煤幫錨桿還對(duì)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(dòng)；徑向約束力是桿體和錨固頭提供的抗剪力，它對(duì)控制煤體內(nèi)部的剪切破壞能起到一定的作用。PP2P12.3.2煤幫破壞機(jī)理2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素 在回采過程中，煤體受到采動(dòng)影響后，會(huì)改變工作面處煤壁周圍原始應(yīng)力平衡的應(yīng)力分布狀態(tài)，表現(xiàn)為水平應(yīng)力迅速減小，甚至消失。煤體中應(yīng)力重新分布，會(huì)在煤體上方形成超前支承壓力，并且造成煤體承受的壓力大幅度增加。在外力作用下，煤體產(chǎn)生新的裂隙和節(jié)理并破壞了煤體的完整性，煤體發(fā)生塑性變形，煤壁表

8、面的位移量增加，最終導(dǎo)致片幫的發(fā)生。 由于巷道周圍煤體中出現(xiàn)塑性區(qū)和片幫會(huì)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(huì)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(shí)，頂板便有可能沿巷道兩側(cè)整體垮落，造成冒頂事故。煤體發(fā)生剪切破壞后，剪切面錯(cuò)距的增大，煤體對(duì)頂板的支護(hù)能力減小。導(dǎo)致剪切擴(kuò)容效應(yīng)，煤體發(fā)生側(cè)向膨脹并出現(xiàn)松動(dòng)，松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致片幫，巷道跨度增大，跨度增大又促進(jìn)了片幫的發(fā)生。2.3.3玻璃鋼錨桿支護(hù)失效機(jī)理2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素影響玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性因素的不確定性：圍巖特性的不確定桿體參數(shù)的不確定施工質(zhì)量的不確定模型的不確定影響玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性

9、的具體因素：煤體力學(xué)參數(shù)施工選材參數(shù), k ,E ,C2.3.3玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性影響因素分析2 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性的影響因素,mHPdL3.1玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析必要性3 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析從數(shù)學(xué)角度分析安全系數(shù)法的不合理性2221SRkk3.2.支護(hù)可靠性分析方法分析方法：a.疲勞強(qiáng)度可靠性分析法b.故障樹分析法c.Petri網(wǎng)分析法d.故障模式、影響和危害性分析法3 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析3.3玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)可靠性分析3 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析3.4玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性計(jì)算方法1.可靠性可靠性計(jì)算理論計(jì)算理論a.蒙特卡羅法b.中心點(diǎn)法c.驗(yàn)算點(diǎn)法d.拉克維茲-斯考夫

10、法e.派森黑羅法3 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析3.4玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性計(jì)算方法蒙特卡羅法：以概率統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)的一種隨機(jī)模擬或抽樣統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的方法，將所求解的問題與一定的概率模型相結(jié)合。中心點(diǎn)法：將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)在隨機(jī)變量平均值（中心點(diǎn)）處用泰勒級(jí)數(shù)展開并取線性項(xiàng)，然后近似計(jì)算功能函數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。(結(jié)構(gòu)狀態(tài)功能函數(shù)為非線性時(shí)，化為線性)驗(yàn)算點(diǎn)法：中心點(diǎn)法的改進(jìn)方法，不以通過中心點(diǎn)的超切平面作為先行近似。而是以功能函數(shù)Z=0上的某一點(diǎn)的超切平面作為線性近似，以避免誤差。拉克維茲-斯考夫法是國(guó)際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)（JCSS）推薦的方法，又稱JC法。在一次二階矩法的基礎(chǔ)上，將不是正態(tài)分布的隨機(jī)變

11、量當(dāng)量正態(tài)化，再求解均值方差來獲得可靠度。3 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性分析3.5.1單一玻璃鋼錨桿可靠度計(jì)算巷道兩幫穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程：巷道兩幫穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程：（根據(jù)蒙特卡羅法進(jìn)行迭代）（根據(jù)蒙特卡羅法進(jìn)行迭代）1)(1121ALaLAmiinimntRtRCtR100)(1 )()(3.5.2煤幫璃鋼錨桿可靠度計(jì)算當(dāng)至少有根m玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠時(shí)，煤幫安全穩(wěn)定。破壞形式破壞形式數(shù)量數(shù)量破壞比例破壞比例托盤破裂291.22%托盤破碎150.63%煤壁松散381.59%錨桿劈裂30.13%錨桿破斷20.08%錨桿松動(dòng)50.21%4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)4.1回風(fēng)巷玻璃鋼錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)15煤403回風(fēng)巷

12、初始設(shè)計(jì)100010008 0 01 2 0 0現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)玻璃鋼錨桿失效情況4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)4.2具體可靠度計(jì)算1)(1121ALaLA006. 0cos102 . 1sin101cos104sin105 . 3435 . 255 . 24CCRR根據(jù)蒙特卡羅法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)比較結(jié)果相近，初始設(shè)計(jì)方案合理，還需適當(dāng)修正。統(tǒng)計(jì)結(jié)果：0.9614計(jì)算結(jié)果：0.96064 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)4.3煤幫深部位移觀測(cè) 觀測(cè)結(jié)果，150403回風(fēng)巷煤幫深部位移，隨著工作面推進(jìn)，煤幫具有水平位移，煤幫移動(dòng)量為80-120mm。淺部位移量較大，深部位移量較小。3m處為彈性區(qū)，3m靠近煤幫一側(cè)為彈塑性區(qū)和塑性區(qū)。根

13、據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)測(cè)進(jìn)行分析，玻璃鋼錨桿支護(hù)回風(fēng)巷煤幫安全可靠。5 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.1動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)玻璃鋼錨桿支護(hù)時(shí)需要注意而又容易忽視的問題有：（1）合理的孔徑差，6-10mm；（2）充分?jǐn)嚢桢^固劑；（3）盡量使錨桿系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部位等強(qiáng)；（4）施加較大的預(yù)緊力；（5）施工中減少對(duì)巷道頂?shù)装迤茐?；?）嚴(yán)格控制支護(hù)時(shí)間；（7）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)保證及時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)或緊固。5 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.1.1動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)注意的問題5 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.2影響玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性因素的敏感度分析影響錨固力各因素敏感度分析影響預(yù)緊力各因素敏感度分析玻璃鋼錨桿桿體參數(shù)敏

14、感度分析 )()(212020122120rrrktrrqP102101104 (1)()(1)()f MPSd fffDd2+qkRLz15 . 024nrHkd qLkdLam345. 15 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.2影響玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性因素的敏感度分析 玻璃鋼錨桿錨固力參數(shù)、預(yù)緊力參數(shù)、桿體參數(shù)和支護(hù)參數(shù)都對(duì)玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)有很大的影響因子，其敏感度都很高，直接影響著玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性，可根據(jù)玻璃鋼錨桿影響因子所涉及的方面來提高玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)的可靠性。5 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.3提高支護(hù)可靠性的具體途徑 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)失效形式及分析，提出具體的玻璃

15、鋼錨桿失效形式的對(duì)策。具體的失效形式有：托盤破裂、破碎，煤壁松散，錨桿劈裂、破斷，錨桿松動(dòng)。托盤破裂、破碎。增強(qiáng)托盤強(qiáng)度，托盤和煤壁間加入木墊板可以使得托盤受力均勻，且木墊板的強(qiáng)度要比樹脂托盤強(qiáng)度低，木墊板的加入使得玻璃鋼錨桿具有一種讓壓的效果。錨桿的劈裂、破段。加大桿體強(qiáng)度，來抵抗由煤體剪切力而產(chǎn)生的對(duì)玻璃鋼錨桿的偏心荷載。5 玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)方法及提高5.3提高支護(hù)可靠性的具體途徑錨桿松動(dòng)。把好錨固質(zhì)量關(guān)。包括：鉆孔的施工質(zhì)量，裝錨桿的施工質(zhì)量。要求錨桿錨固劑煤體三者能夠很好的粘結(jié)。煤壁破壞。松散破壞的煤壁進(jìn)行噴漿加固處理。引起煤壁松散破壞的原因：煤壁本身松散破碎；受到采煤的影響，使得煤壁松散。6 主要結(jié)論與不足6.1主要結(jié)論建立玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)的可靠性模型單一玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)為并串聯(lián)系統(tǒng)，整個(gè)煤幫大環(huán)境的玻璃鋼錨桿為并聯(lián)系統(tǒng);利用蒙特卡羅法結(jié)合當(dāng)量正態(tài)化法來計(jì)算玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)可靠度，利用故障樹分析法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)玻璃鋼錨桿支護(hù)巷道，煤幫位移量為80120mm,現(xiàn)場(chǎng)玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠度為0.9614;計(jì)算得出可靠度為0.9606；玻璃鋼錨桿支護(hù)可靠性影響因子的敏感度進(jìn)行分析，玻璃鋼錨桿錨固力參數(shù)、預(yù)緊力參數(shù)、桿體參數(shù)和支護(hù)參數(shù)都對(duì)玻璃鋼錨桿支護(hù)系統(tǒng)有很大的影響因子，其敏感度都很高結(jié)合現(xiàn)