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全日制硕士学位论文 煤巷顶板锚固体稳定性智能识别及工程应用煤巷顶板锚固体稳定性智能识别及工程应用 申请人姓名 张祥 指导教师 刘少伟 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○○一一五五年年六六月月 万方数据 中图分类号中图分类号TDTD679679 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码1046010460 煤巷顶板锚固体稳定性智能识别 及工程应用 Intelligent Identification and Engineering Application of Anchorage Body’s Stability in the Roof of Coal Roadway 申请人姓名申请人姓名 张 祥 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 导师导师 刘少伟 职称职称 副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015年6月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015年6月 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文煤巷顶板锚固体稳定性智能识别及工 程应用，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外， 不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了 明确的声明并表示了谢意。本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 在论文即将完成之际，我的心情始终无法平静，从研究生阶段的刚开始入学， 到论文的选题、撰写及定稿，有太多可敬的师长、同学、朋友、亲人给了我无言 的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 感谢河南理工大学给予我读研究生的机会，感谢能源学院在院领导的精心管 理下为学生创造的便利、舒适的科研环境。感谢曾经为我授课的教师及各位老师 在论文选题、开题、预答辩阶段为我提出的宝贵意见。 感谢恩师刘少伟副教授在生活和学习中给予的细心指导及关怀，刘老师为人 和善，治学态度严谨，无论教学、科研任务多么繁重，他总是定期询问、指导论 文写作，并不断给予我鼓励，让我更有信心的完成论文。借此机会向恩师表达崇 高的敬意和衷心的感谢 感谢师兄张辉老师、李鑫涛、樊克松及师弟尚鹏翔、张玉竞、岳杰、常建超、 朱乾坤、乔安震、付孟熊、程利兴等人在论文写作过程中给予的各方面帮助感 谢室友陈刚、孟福军及其他同级研究生兄弟给予的关心和帮助。 感谢我的父母，他们虽为农民，确教给了我人生大道理，并不断的给予我鼓 励，是我论文写作乃至以后前进的动力。感谢女朋友杜莹丽女士，总能在我遇到 困惑的时候开导我，带我走出迷途。 感谢本文参考文献的各位作者、译者 感谢百忙中评审本文的各位专家、教授 张祥 2015 年 5 月 25 日 万方数据 I 摘摘 要要 锚杆支护煤巷顶板稳定性与很多因素有关，顶板锚固体的锚固质量是决定顶 板稳定性的主要因素。无损检测获得的顶板锚杆的波导特性能够反映出锚杆的锚 固质量状况（如工作阻力、锚固密实程度及锚杆的有效锚固范围） ，而顶板所有锚 杆的锚固质量决定了顶板的稳定性，因此煤巷顶板锚固体的波传播特征与其失稳 模式（非常稳定顶板、中等稳定顶板、一般稳定顶板、不稳定顶板、极不稳定顶 板）存在关系，而且不同的失稳模式应具有相应的波传播特性。 通过对应力波在锚杆中传播及能量分配规律的研究，确定了将反射特性、锚 杆相对锚固长度、幅值比三个波导特征指标作为煤巷顶板锚固体稳定性智能识别 系统的三个输入参数。通过神经网络理论分析和 Matlab 软件的神经网络工具箱建 立锚杆锚固质量与其波导参数的神经网络模型及知识库。对知识库进行反复训练， 确定了当隐含层神经元数目为 4 时网络能达到较好的预测效果。针对贺西矿具体 地质条件及支护参数，采用 dll 动态链接库技术将 Matlab 与 VisualBasic 语言进行 混合编程，开发出了基于波导特性的煤巷智能识别系统。系统主要包括地质力学 输入模块、单体锚杆锚固质量识别模块、煤巷顶板锚固体稳定性识别模块及其它 辅助功能模块。在贺西矿煤矿现场选取三个测点，通过对这三个测点的锚杆进行 无损检测，并将波导特性输入系统对三个测点的单体锚杆及顶板稳定性进行预测。 通过对三个测点锚杆锚固力的测试，结果与系统的预测有很好的对应，证明了系 统的预测准确性。 关键词关键词锚杆；无损检测 ；波导特性；顶板稳定性；智能识别 万方数据 III Abstract Roof stability of bolt supporting coal roadway is related to many factors,among which roof anchor is the main factor to determine the stability of the roof. The waveguide characteristics of nondestructive detection from coal roof can reflect the status of the anchorage quality anchorage range 、 Anchoring compactness、The effective range of the anchor bolt and the anchorage quality determines the roof stability,so waveguide characteristics is associated with the instability modeVery stable roof, medium stable roof, roof generally stable, unstable roof,extremely unstable roof. Different instability modes should have the characteristics of wave propagation in the corresponding. By researching the propagation of stress wave and energy distribution in bolt ,this paper determined to put reflection characteristics、 bolt relative anchorage length、 ratio of amplitude three waveguide as three parameters of coalroadway roof anchor stability intelligent recognition system.After studying the neuralnetwork theory and Neural Network Toolbox in matlab software ,this paper build a knowledge base of bolt anchoring quality and waveguide parameters .When the neurons in hidden layer get to 4,the network can achieve good prediction effect based on repeated training on the knowledge base. In view of the Hexi mine specific geological conditions and supporting parameters, using the technology of dll dynamic link library to use Matlab and VisualBasic language to mix programming, coal roadway intelligent recognition system based on the characteristics of waveguide is developed. The system mainly includes the geological mechanical module, single bolt anchoring quality identification module, the roof of coal drift bolt solidstability identification module and other auxiliary function module. Select three measuring points in the Hexi mine coal field, based on the three points of rock bolt nondestructive testing, and the waveguide system to predict the three points of single bolt and roof stability. Through the anchoring force tests in the three monitoring points, the results correspond well with the system prediction and the predictive accuracy of thesystem is proved to be useful. Keywords Bolt; nondestructive testing; waveguide; roof stability; intelligent recognition 万方数据 V 目 录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................. III 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景和意义 ..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.2.1 锚固体锚固质量无损检测的研究 ................................................................. 2 1.2.2 顶板稳定性的研究现状 ................................................................................. 4 1.2.3 顶板稳定性的分析方法 ................................................................................. 6 1.3 本文的研究内容、方法及路线 ............................................................................ 7 1.3.1 本文的研究内容 ............................................................................................. 7 1.3.2 本文研究方法 ................................................................................................. 8 1.3.3 本文研究路线 ................................................................................................. 8 2 波导特征指标选择波导特征指标选择 .................................................................................................... 11 2.1 应力波检测技术的基本原理 .............................................................................. 13 2.1.1 锚杆在荷载作用下的振动规律 ................................................................... 13 2.1.2 应力波的衰减规律 ....................................................................................... 15 2.1.3 应力波在锚杆中传播规律 ........................................................................... 16 2.2 评价锚杆锚固质量的参数 .................................................................................. 18 2.2.1 无损检测中评价锚固质量的几个参数 ....................................................... 19 2.2.2 单体锚杆锚固质量预测的波导特征指标选取 ........................................... 23 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 23 3 煤巷顶板锚固体稳定性预测机理煤巷顶板锚固体稳定性预测机理 ............................................................................ 25 3.1 人工神经网络的基本概念及原理 ...................................................................... 25 3.1.1 人工神经网络的概念 ................................................................................... 25 3.1.2 BP 神经网络 ................................................................................................ 26 3.1.3 人工神经网络的原理 ................................................................................... 27 3.2 单体锚杆锚固质量预测的 BP 神经网络模型建立 ........................................... 29 3.2.1 锚固质量预测的 BP 神经网络原理 ............................................................. 29 万方数据 VI 3.2.2 基于 BP 神经网络的锚固质量预测模型网络数据准备 ............................. 30 3.2.3 基于 BP 神经网络的锚固质量预测模型建立 ............................................. 33 3.2.4 训练数据的提取 ............................................................................................ 34 3.2.5 网络训练 ........................................................................................................ 35 3.3 基于波导参数的煤巷顶板锚固体稳定性分类 .................................................. 37 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 38 4 煤巷顶板锚固体稳定性智能识别系统的开发煤巷顶板锚固体稳定性智能识别系统的开发 ......................................................... 39 4.1 煤巷顶板锚固体稳定智能识别系统开发工具 .................................................. 39 4.1.1 MATLAB 软件介绍 ....................................................................................... 39 4.1.2 VISUALBASIC 软件介绍 ............................................................................. 40 4.1.3 VISUALBASIC 与 MATLAB 混合编程优点 ............................................... 41 4.2 煤巷顶板锚固体稳定智能识别系统开发原理 .................................................. 41 4.2.1 MATLAB 与 VISUALBASIC 软件混合编程常用技术 ............................... 41 4.2.2 系统混合编程过程 ........................................................................................ 42 4.2.3 系统所用的基本方法 .................................................................................... 43 4.3 煤巷顶板锚固体稳定智能识别系统开发及介绍 .............................................. 44 4.3.1 智能识别软件的组成 .................................................................................... 44 4.3.2 数据库系统 .................................................................................................... 44 4.3.3 智能识别系统 ................................................................................................ 45 4.3.4 CAD 文件编辑系统 .................................................................................... 46 4.3.5 其它辅助功能系统 ........................................................................................ 46 4.4 煤巷顶板锚固体稳定智能识别系统软件操作说明 .......................................... 46 4.4.1 软件安装与启动 ............................................................................................ 46 4.4.2 数据库管理系统操作 .................................................................................... 48 4.4.3 智能识别系统操作 ........................................................................................ 49 4.4.4 CAD 文件编辑功能操作 ............................................................................ 53 4.4.5 系统其它辅助功能操作 ................................................................................ 54 4.5 煤巷顶板锚固体稳定智能识别系统软件核心功能代码 .................................. 54 4.5.1 MATLAB 中 M 文件制作代码 ...................................................................... 54 4.5.2 单体锚杆锚固质量预测代码 ........................................................................ 56 4.5.3 煤巷顶板锚固体稳定性预测代码 ................................................................ 57 4.5.3 DWG 文件操作代码 ...................................................................................... 58 万方数据 VII 4.6 本章小结 .............................................................................................................. 58 5 工程应用工程应用 .................................................................................................................... 61 5.1 贺西矿煤层地质状态分析 .................................................................................. 61 5.1.1 矿井概况 ....................................................................................................... 61 5.1.2 煤层沉积条件分析 ........................................................................................ 61 5.1.3 煤层顶板赋存特征分析 ................................................................................ 62 5.2 实验仪器的选择 .................................................................................................. 63 5.2.1 无损检测仪的选择 ....................................................................................... 63 5.2.2 锚杆测力计的选择 ....................................................................................... 64 5.3 工业性实验测点的选择 ...................................................................................... 65 5.4 巷道顶板锚固体的无损检测 .............................................................................. 67 5.4.1 数据的采集 ................................................................................................... 67 5.4.2 波导数据的处理 ........................................................................................... 68 5.5 智能识别系统的识别分析 .................................................................................. 71 5.5.1 单体锚杆锚固体稳定性的识别 ................................................................... 71 5.5.2 巷道顶板锚固体稳定性的识别 ................................................................... 73 5.5.3 单体锚杆锚固力的测试 ............................................................................... 75 5.5.4 顶板锚杆的拉拔实验 ................................................................................... 77 5.6 本章小结 .............................................................................................................. 79 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 81 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 81 6.2 论文不足及展望 .................................................................................................. 81 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 83 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 89 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 90 万方数据 1 绪 论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 自上世纪末以来，锚杆支护以其巨大的经济和社会效益被广泛应用于边坡工 程，采矿工程，地铁工程等岩土工程中，得到了工程界的一致好评[1-5]。锚固技术 被用于岩土工程中，可以充分发挥岩土的强度及承受能力，从而大大减少了工程 材料的用量，在减少工程成本的同时，保证了工程的安全与稳定，所以在国际上 得到了广泛的应用与发展。很多学者对锚杆支护理论，支护设计方法及检测手段 都做了大量的研究工作[6-10]，但是在矿业工程中，由于现场实际情况超前于科学研 究水平而导致很难从根本上解决煤巷顶板冒顶事故的问题。据调查，我国很多大 型矿业集团锚杆支护的层状顶板煤巷每年都会发生冒顶事故，人员伤亡事故也屡 有发生。深井锚杆支护巷道的局部区域冒顶事故更是经常发生，给国民经济造成 了巨大的损失。 目前国内外煤矿巷道支护主要采用锚杆支护方式，据统计，在美国、澳大利 亚等发达西方国家锚杆支护率达到 90以上，在我国多数矿区的锚杆支护率也已 经达到 80甚至更高。锚杆支护煤巷顶板稳定性与很多因素有关，在诸多因素中， 顶板锚固体作为支撑顶板的重要结构，其锚固质量是决定顶板稳定性的主要因素。 锚杆锚固质量的检测是预防冒顶事故发生的有效手段，而通常包括对围岩状况及 锚固系统构件的检测等[11-19]。由于顶板锚杆的波导特性能够反映出锚杆的锚固质 量状况（如工作阻力、锚固密实程度及锚杆的有效锚固范围） ，而顶板所有锚杆的 锚固质量决定了顶板的稳定性，因此煤巷顶板锚固体的波传播特征与其失稳模式 （非常稳定顶板、中等稳定顶板、一般稳定顶板、不稳定顶板、极不稳定顶板） 存在关系，而且不同的失稳模式应具有相应的波传播特性。 图图 1-1 锚杆支护（左）及冒顶事故（右）锚杆支护（左）及冒顶事故（右） Fig.1-1 Bolting left and roof fall accident right 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 对锚杆锚固质量的检测，目前工程中常采用拉拔法，无损检测法等手段。在 岩土工程中，无损检测是被常用来检测锚杆锚固质量的手段，然而在煤矿井下该 方法应用很少。长期以来研究人员主要采用弹塑性力学或