近距离顶煤巷道支护参数的数值优化设计

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本文以淮南矿业集团潘北煤矿-650东一轨道大巷作为工程研究背景。采用了数值模拟、理论分析及现场实测等研究方法。研究了近距离顶煤岩石巷道的采动应力显现规律。而对于U型钢可缩性支架这一种应用广泛的支护。通过理论分析了支护补强结构的作用,对U型钢支架结构的整体稳定性和承载能力的提高进行了定性分析,并简化出相关的力学模型并利用基于有限元方法软件ABAQUS的强大非线性分析功能,分析了在不同围岩压力作用形式下U型钢支架的承载机理。分析了U型钢支架在加入补强结构下承载力的提高。对现有的的支护理论进行了相关评述,阐述了稳定松动圈的新技术,其中心思想为寻找关键加固点加固。并在现场测试和理论分析的基础之上提出了初步的支护方案。设计了三因素三水平的L9(34)正交试验方案,通过有限元仿真分析,得到各结构参数条件下的巷道收敛,用极差分析对试验结果数据进行优选方法分析。得出四因素影响巷道的顶板下沉、两帮收敛、和底臌量的主次顺序及最优参数方案。论文的研究方法与结论可以在条件类似的巷道中得到应用。
摘要第5-6页
Abstract第6页
1 绪论第14-21页
    1.1 课题研究的目的和意义第14-15页
    1.2 受动压影响的软岩巷道变形破坏机理的研究现状第15-16页
    1.3 支护理论与研究方法现状第16-19页
    1.4 主要研究的内容第19页
    1.5 本文研究路线第19-21页
2 上覆煤层开采对下方岩石巷道影响的数值分析第21-41页
    2.1 有限单元法概述及ABAQUS软件简介第21-23页
        2.1.1 有限单元法概述及基本思想第21-22页
        2.1.2 ABAQUS简介第22-23页
    2.2 工程概况第23-24页
    2.3 工作面底板岩体破坏深度解析分析第24-25页
        2.3.1 解析分析第24-25页
        2.3.2 实例计算第25页
    2.4 东一轨道大巷围岩与U形棚相互作用力测试第25-28页
        2.4.1 观测目的及内容第25页
        2.4.2 煤壁对U形棚的作用力观测第25-28页
    2.5 有限元数值计算模型第28-40页
        2.5.1 模型概述第30-36页
        2.5.2 模拟结果分析第36-39页
        2.5.3 采动压力对巷道影响分析第39-40页
    2.6 本章小结第40-41页
3 金属支架的承载能力增强机理及稳定巷道围岩的作用分析第41-55页
    3.1 金属支架承载力提高原理分析第41-42页
    3.2 金属支架稳定巷道围岩机理分析第42-44页
        3.2.1 提高碎胀力、抑制松动圈发展第42-43页
        3.2.2 改变底角部位岩体应力状态的作用,降低帮底变形程度第43页
        3.2.3 削弱地板水平应力、降低底臌程度第43-44页
    3.3 金属支架补强解析计算第44-53页
        3.3.1 金属支架+锚杆补强结构强度分析(静不定问题求解)第44-50页
        3.3.2 金属支架+没有锚杆补强结构强度分析(静定问题求解)第50-53页
    3.4 结论第53-55页
4 U型钢支架补强结构联合作用数值模拟分析第55-60页
    4.1 U型钢支架承载机理数值模拟第55-57页
        4.1.1 网格划分第55页
        4.1.2 确定分析类型第55-56页
        4.1.3 施加边界条件第56页
        4.1.4 计算结果第56-57页
    4.2 在加入补强结构的模型分析第57-60页
        4.2.1 计算模型与采用的计算分析类型第57-58页
        4.2.2 计算结果对比分析第58-60页
5 巷道支护补强方案设计与原理第60-73页
    5.1 补强加固基本方案第60页
    5.2 巷道支护设计原理第60-73页
        5.2.1 软岩支护现状概况第61-64页
        5.2.2 软岩巷道变形与控制机理分析第64-68页
        5.2.3 潘北煤矿补强方案中主要的核心原理分析第68-73页
6 正交试验优化补强结构关键参数第73-90页
    6.1 影响巷道支护结构稳定性的因素第73-74页
    6.2 正交数值试验设计第74-77页
        6.2.1 正交试验方法第74-75页
        6.2.2 正交试验方案设计第75-77页
    6.3 数值模拟试验第77-79页
        6.3.1 力学模型的建立第77-78页
        6.3.2 边界条件和载荷第78页
        6.3.3 模型的材料参数和网格划分第78-79页
        6.3.4 求解步骤和模拟方案第79页
    6.4 正交数值模拟结果及参数优化第79-86页
        6.4.1 正交模拟结果分析第79-84页
        6.4.2 补强支护参数的优化第84-86页
    6.5 加固工艺第86-90页
        6.5.1 基本加固参数设计第86-87页
        6.5.2 注浆施工参数第87-90页
7 现场工业试验效果观测第90-99页
    7.1 测站及测站内测点布置方式第90页
    7.2 巷道表面位移监测第90页
    7.3 测量仪器第90-91页
    7.4 测量方法第91页
    7.5 观测数据第91-96页
        7.5.1 修复后的变形观测原始数据汇总第91-93页
        7.5.2 修复前的变形观测原始数据汇总第93-96页
    7.6 数据处理第96-98页
    7.7 本章小结第98-99页
8 结论与展望第99-101页
    8.1 主要结论第99-100页
    8.2 研究的不足与展望第100-101页
参考文献第101-104页
致谢第104-105页
作者简介及读研期间主要科研成果第105页
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