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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