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破碎顶板超大断面开切眼支护优化与安全监控的研究

作　者: 张明星
导　师: 张向东
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 岩土工程
关键词: 大断面破碎顶板联合支护动态信息设计监测系统神经网络
分类号: TD353.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近几年来,为了引进大型采高设备,切眼的断面尺寸越来越大,现有的锚杆的支护设计方法已经不能满足安全和稳定性要求,急需解决大跨度、大断面破碎顶板锚杆(索)支护参数的设计与安全监控问题,找出一套适合大断面锚杆锚索的支护参数设计方法。该论文针对超大断面破碎顶板开切眼围岩支护稳定性分析与安全监控进行系统研究,保证煤矿的安全生产,创造了一定的经济效益,具有重要的现实意义。该论文通过现场勘察及围岩变形监测,分析了大断面开切眼巷道破坏原因及破坏形式,设计了锚杆(索)、W型钢带、金属网、单体柱联合支护方案组成大断面联合支护系统,用于已掘进矩形巷道的工程支护。提出“工程地质资料分析-初始设计-现场矿压和变形量监测-信息反馈-修改设计”的动态信息设计方法。其关键技术为支护前期的顶板岩层结构探测和支护后期的顶板收敛变形监测,此方法实现了边施工、边监测、边修改,在实践中具有应用价值。通过液压枕式锚杆测力计、单体支柱压力监测记录仪、顶板离层仪组成大断面联合监测系统,并通过人工神经网络实现对岩层结构的识别,并对监测段冒顶危险区域进行预测,实时调整支护参数。应用大型有限元软件ANSYS进行动态模拟,分析了在不同支护参数条件下支护安全系数,通过理论计算和数值分析综合确定支护参数,并将理论、经验、监测数据信息反馈到优化设计参数中去,对设计进行了优化。通过实验室岩石试验、现场变形监测、理论分析等多种手段,分析了白羊岭矿区大断面开切眼巷道围岩应力与位移的时间和空间变化规律,以确定合理的支护形式和支护参数本论文利用神经网络对监测段冒顶危险区进行预测,实现了开切眼安全监控立体化、可视化。经过数值模拟与理论验算配合联合动态监测系统都证明了本论文所提出的超大断面联合支护方案满足开切眼对支护刚度、强度、稳定性的要求,同时还将支护方案进行了经济效益评价。综上所述,该论文提供的研究成果详实,采用的技术路线和研究方案正确,试验方法和理论研究具有创新性,研究成果达到国际先进水平。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-14
  1.1 大断面煤巷支护技术发展  10-12
    1.1.1 国外煤巷支护技术的发展  10-11
    1.1.2 国内煤巷支护技术的发展  11-12
  1.2 研究内容及采用的研究方法  12-14
    1.2.1 研究内容  12-13
    1.2.2 研究方法  13-14
2 白羊岭煤矿概况及大断面变形破坏特征  14-21
  2.1 白羊岭矿区概况  14-18
    2.1.1 地理交通情况  14
    2.1.2 区域地质  14-17
    2.1.3 地形地貌  17
    2.1.4 地层特征  17-18
    2.1.5 矿区岩石的物理力学性质  18
  2.2 大断面煤巷变形破坏机理  18-21
    2.2.1 大断面开切眼围岩稳定性的影响因素  19-20
    2.2.2 大断面巷道围岩状态特征  20
    2.2.3 大断面巷道锚固失效机理  20
    2.2.4 大断面开切眼巷道变形破坏的主要特点  20-21
3 矩形巷道支护方案设计与施工工艺  21-29
  3.1 支护结构与围岩的相互作用关系  21
  3.2 锚杆(索)支护机理分析  21-22
  3.3 矩形开切眼支护方案设计  22-24
    3.3.1 支护参数设计  22-24
    3.3.2 支护采用材料规格情况  24
  3.4 联合支护作用机理  24-25
  3.5 巷道支护形式  25-28
  3.6 开切眼加固方案实施工艺  28-29
4 101开切眼监测方案设计与结果分析  29-49
  4.1 监测的作用  29
  4.2 监测内容  29-30
  4.3 位移量监测方案与结果分析  30-35
    4.3.1 仪器介绍  30-32
    4.3.2 101开切眼收敛量观测结果分析  32-35
  4.4 锚杆、锚索锚固力监测及结果分析  35-38
    4.4.1 仪器介绍及布置  35-37
    4.4.2 101开切眼帮部锚杆受力监测结果分析  37-38
  4.5 顶板矿压监测及结果分析  38-44
    4.5.1 矿压监测仪器介绍及布置方案  39-42
    4.5.2 101开切眼矿压观测结果分析及采取措施  42-44
  4.6 基于大断面联合监测系统对支护效果的评价  44
  4.7 基于人工神经网络的101开切眼监测段冒顶危险区域的预测  44-49
    4.7.1 神经网络在煤巷冒顶危险区预测中的应用  44-45
    4.7.2 输入量与输出量的设计  45-46
    4.7.3 隐含层内节点的选择  46-47
    4.7.4 训练与预测结果  47-49
5 大断面开切眼巷道支护的数值模拟  49-75
  5.1 无支护条件下9.5m和11m宽断面数值模拟对比分析  49-52
  5.2 不同支护工况模拟对比  52-71
    5.2.1 顶部锚杆间距选择  53-55
    5.2.2 顶锚杆长度选取  55-57
    5.2.3 顶板锚索根数选择  57-59
    5.2.4 顶锚索长度选择  59-61
    5.2.5 综合支护方案对比  61-63
    5.2.6 帮锚杆间距选择  63-65
    5.2.7 帮锚杆长度选择  65-67
    5.2.8 单体液压支柱根数选择  67-71
  5.3 支护条件下9.5m和11m宽断面数值模拟对比分析  71-75
    5.3.1 支护条件下9.5m宽开切眼数值模拟  71-73
    5.3.2 支护条件下11m宽开切眼数值模拟  73-75
6 结论、创新性及展望  75-77
  6.1 结论  75
  6.2 创新性  75-76
  6.3 展望  76-77
参考文献  77-79
作者简历  79-81
学位论文数据集  81

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