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Chinese Abstract...............................................................................................................I English Abstract...............................................................................................................II 1 Introduction....................................................................................................................1 1.1 The subject source and background........................................................................1 1.2 Problem posed and research significance...............................................................2 1.3 The related research situation.................................................................................4 1.3.1 The development history of foreign reliability..............................................4 1.3.2 The development history of China reliability................................................5 1.3.3 Research on reliability of theory survey........................................................6 1.3.4 The related theory..........................................................................................6 1.4 The main existing problems...................................................................................7 1.5 Research technical route........................................................................................8 2 FRP bolt supporting reliability’s factors......................................................................11 2.1 Supporting the concept of reliability.....................................................................11 2.1.1 The basic definition of supporting reliability...............................................11 2.1.2 Set up supporting reliability model..............................................................13 2.2 The coal bolt supporting mechanism.....................................................................15 2.3 The coal failure mechanism...................................................................................16 2.4 Failure mechanism of FRP bolt.............................................................................18 2.5 The influence factors of supporting reliability of FRP bolt...................................21 2.5.1 The influence factors of uncertainty.............................................................21 2.5.2 The main factors...........................................................................................22 2.6 This chapter summary............................................................................................23 3 Analysis of FRP bolt reliability.....................................................................................25 3.1 FRP bolt reliability study of the necessity.............................................................25 3.2 FRP bolt reliability analysis method.....................................................................26 3.3 Analysis of FRP bolt reliability.............................................................................29 3.3.1 FRP bolting system fault tree construction..................................................29 3.3.2Analysis of FRP bolting system fault tree....................................................30 3.4 The method of reliability calculation and its basic principle................................31
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3.4.1 The Monte Carlo method..............................................................................32 3.4.2 The center point method...............................................................................35 3.4.3 The design checking point method...............................................................36 3.4.4 Equivalent normal method............................................................................37
3.5 Calculation of single bolt reliability..........................................................................................38
4 The industrial test.........................................................................................................43 4.1 Return air lane FRP bolt initial design..................................................................43 4.1.1 The initial design scheme.............................................................................43 4.1.2 Results the initial statistical supporting design.............................................44 4.2 Coal deep displacement observation.....................................................................44 4.2.1 Observation purpose, content and method...................................................45 4.2.2 Observation outcome and its analysis..........................................................47 4.3 This chapter summary...........................................................................................50 5 FRP bolt supporting reliability design method and improve.......................................53 5.1 FRP bolt supporting design method......................................................................53 5.1.1Supporting dynamic information design method..........................................53 5.1.2 The design process of steel bolting glass.....................................................53 5.2 Sensitivity analysis of factors of supporting reliability of FRP bolt.....................54 5.2.1 Analysis of the influencing factors of anchoring force................................55 5.2.2 Sensitivity analysis of the factors affecting the pretightening force............55 5.2.3 FRP bolt body parameter sensitivity analysis..............................................56 5.3 The ways to improve the reliability of FRP bolt...................................................58 5.3.1 FRP bolt supporting reliability hardware, software.....................................58 5.3.2 Specific ways to improve the protection reliability of branch.....................58 5.4 This chapter summary...........................................................................................59 6 Main conclusions and deficiency.................................................................................61 6.1 Main conclusions..................................................................................................61 6.2 Existent deficiency................................................................................................61 References.......................................................................................................................63 Acknowledge...................................................................................................................67 Author introduction and principal achievements in scientific researchs.........................69
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1.绪论
1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。锚杆的材料、结构、性能在原来的基础上都有所创新；锚杆在支护理论和支护技术也有较大的进步，世界主要产煤国家现在都采用锚杆来支护矿山井下巷道，且以这种方式为主[1-2]。自1956年，我国开始使用和探究锚杆支护技术，刚开始只在围岩条件比较好的巷道中应使用，在采准巷道中使用，是在60-70年代才开始的，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。随着开采煤层深度的加大，工字钢、U型钢、梯形棚等棚式支护都越来越达不到支护要求，主要是不适合支护高地压深井采准巷道[3]。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。现场实践证明了锚杆支护更加适合采准巷道，它是一种经济、安全、快速的井下支护形式。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[4-5]。
由于对锚杆支护机理的不断认识和深化，使得锚杆支护的技术得到创新，锚杆支护范围也在扩大。原本只是支护围岩条件好的硬岩巷道，现在也支护软岩巷道；从原先的稳定完整的岩层到不稳定破碎岩层；从原先小断面巷道到大断面巷道、硐室；从新掘进的巷道支护到旧巷道维护；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也在不断发展[6]。
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
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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[7-12]。
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。玻璃钢锚杆的生产主要流程：缠绕、杆体成型、固化、自动控制。玻璃钢锚杆的成型工艺也有很多种，手糊、喷射、层压、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70%。目前，玻璃钢锚杆生产厂家基本采用拉挤成型工艺。拉挤成型工艺流程：玻璃纤维无捻粗纱排布、浸胶、缠绕、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束和聚合树脂组成，其中玻璃纤维一般占杆体的60%到70%。因此玻璃钢锚杆的主要性能是由玻璃纤维决定的。由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0.2%到2%。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600Mpa[13]。
1.2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。巷道采用锚杆支护时基本采用安全系数法，其基本思想是要求支护抗力大于荷载的原则[14]。将锚杆的物理几何参数选取确定的值来计算，继而得出一个确定的值，一个只与抗力和荷载均值有关的安全系数k（?R、?S分别为锚杆的支护抗力与荷载的均值）。 k??R (1-1) ?S但是安全系数法存在问题：假设构件的抗力与荷载均服从正态分布，依据安全系数法，当a、b两种构件有着相等的安全系数，那么这两种构件的支护效果相同，且
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1.绪论
ka??Ra??kb?Rb (1-2) ?Sb?Sb根据应力干涉理论可知，虽然安全系数相等，但是它们的失效概率可能有较大差距（失效概率为图中阴影部分，为应力干涉区）[15]。显然a的应力干涉区面积小于b的应力干涉区面积，也就是前者失效概率小于后者，若失效概率用Pf表示，则有，Pfa(x)?Pfb(x)，如图1所示：
fa(x)
?Sa ?Ra
fb(x)
?Sb ?Rb
图1 a、b的概率分布函数图像
Fig. 1 The probability distribution function image of a and b
追究其理论根源是因为所得的安全系数并不能代表其支护效果[16],或者说二者不相匹配，安全系数法所反映的支护效果、锚杆和煤层所受的应力分布并不是实际的，安全系数法只是一种经验设计。
现今，井下巷道主要采用锚杆支护形式。在工程支护范围内，锚杆支护的可靠性可以用可靠度来表示。可靠性的概率度量表示即为可靠度，锚杆支护的可靠度表示锚杆在支护巷道的时间内，支护可靠的概率。锚杆支护可靠度一般用?表
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