煤巷锚杆支护设计系统研究及应用.pdf

论文题目 煤巷锚杆支护设计系统 研究及应用 作者姓名韭磊 专业名称芷些工程 指导教师割丞途 副指导教师韭堂生 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间2 Q 呈2 生窆且 研究方向芷出匡左皇蚩屋撞剑 职 称塾援 职 称直缍三猩垭 至Q 曼垒生鱼旦 2 Q 曼垒生月 万方数据 | | U l lll l lI l l l l l l l l l lll llIII Y 2 6 7 6 8 2 8 T H ER E S E A R C HA N DA P P L I C A T I o No FC o A LS E A M R O A D Ⅵ，A YB O I JS U P P O R T I N GD E S I G NS Y S T E M AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t so f t h ed e g r e eo f M L A S T E RO FE N G I N E E l U N G S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y Z h a n gL e i S u p e r v i s o r P r o f e s s o r L i uC h e n g l u n C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n2 0 1 4 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名爹 日期知烨 A F F I R M 陵T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u W d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． s ；弘a t u r e 多 D a t e 珈I 妒．9 ’- ’’ 流吖 协叩 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 井工开采是目前我国煤矿开采的主要方式，因此需要在井下开掘大量巷道。煤矿巷 道支护已经历了从棚式支护到锚杆支护的过程。锚杆支护有明显的优越性把被动支护 变为主动支护、显著提高支护效果、降低了成本、加快掘进速度、改善工人作业环境、 降低了工人劳动强度、保证生产安全、有利于采煤工作面快速推进。 采用数值计算类软件进行锚杆支护的初始设计，综合考虑众多影响巷道围岩变形、 围岩破坏和锚杆支护作用的因素，在多个方案比较的基础上，选择出最优的方案。这种 科学、合理的设计方法对数学和力学基础、熟练操作计算机的能力以及丰富的支护设计 经验有一定的要求。因此，开发一个使用快捷方便、人机界面友好的锚杆支护设计软件 已经成为当务之急。本论文研究了F o r t r a n 、C 撑混合编程方法及两种语言通过读写文本 交换数据的方法，并且分析了这种编程方法在可扩展性及编程效率上的优势，并根据这 种方法编写了“煤巷锚杆支护设计系统“ ，程序界面友好易用。 本文结合鲁西煤矿的地质概况以及水文特征等特点，结合岩石力学试验结果通过运 用设计系统对3 1 11 I l 工作面开采方案的回采巷道支护进行设计。通过友好的人机界面， 依据巷道围岩地质条件、断面形状、尺寸及煤、围岩基本的力学实验结果等，利用设计 系统就可以得到较好的支护设计方案；并通过F L A C 3 D 模拟进行了验证，证明了该设计 系统的有效性。 关键词煤巷，锚杆支护，专家系统，支护设计，F L A C 3 D ，数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T U n d e r g r o u n dm i n i n gi st h em a i nw a yo fc o a lm i n i n gi no u rc o u n t r y , a n dt h e r e f o r en e e dt o d i gm a n yr o a d w a y s ．T h es u p p o r t i n go fr o a d w a ye x p e r i e n c e ds h e dt y p et ot h ep r o c e s so f b o l t i n g ．B o l ts u p p o r t i n gh a so b v i o u sa d v a n t a g e s i m p r o v et h es u p p o r t i n ge f f e c ts i g n i f i c a n t l y , c h a n g ef r o mp a s s i v es u p p o r tt oa c t i v es u p p o r t ，f a s td r i v i n gs p e e d ，l o w e rc o s t s ，r e d u c et h el a b o r i n t e n s i t ya n di m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，e n s u r ep r o d u c t i o ns a f e t y , b e n e f i c i a l t ot h e r a p i da d v a n c ec o a l f a c e ． N u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nu e s df o rb o l t i n gt h ei n i t i a ld e s i g n , t h e r ea r e m a n ye f f e c t st oc o n s i d e r , s u c ha sr o a d w a yd e f o r m a t i o n ，d a m a g ea n db o l t i n ge f f e c tf a c t o r s ．T h e o p t i m a ls o l u t i o ni st ob et os e l e c t e do nt h eb a s i so fm u l t i - p r o g r a mc o m p a r i s o n ．S u c ha s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a ld e s i g na p p r o a c hr e q u i r e sas t r o n gf o u n d a t i o ni nm a t h e m a t i c sa n d m e c h a n i c s ，t h ea b i l i t yt os k i l l f u l l yo p e r a t eac o m p u t e r , a n daw e a l t ho fe x p e r i e n c ei nt h e d e s i g nb o l t i n g ．F o rt h i sr e a s o n ，d e v e l o p i n gaf r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yt ou s ea n de f f i c i e n tc o a l r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o na n db o l t i n gd e s i g ns o f t w a r eh a sa sap r i o r i t y ． T h i sp a p e rs t u d i e st h eF o r t r a n ，C 撑m i x e dm e t h o da p p r o a c h ，a n dr e a da n dw r i t et e x ti nt w o l a n g u a g e st h r o u g ht h ee x c h a n g eo fd a t a , a n a l y z et h ea d v a n t a g e so ft h i sp r o g r a mw h i c h p r o g r a m m i n ge f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t yo n ，a n da c c o r d i n gt ot h i sm e t h o di st h ep r e p a r a t i o no f t h ep r o g r a m ．”R o a d w a yd e s i g ns y s t e m ”，t h ep r o g r a me a s yt ou s ea n df r i e n d l yi n t e r f a c e ， p r o g r a m m i n ga l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ed e s i g no f t h er e s e a r c hp a p e r ． T h ea r t i c l ed i s c u s s e st h eg e o l o g ya n dh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fL u x ic o a lw i t l lr o c k m e c h a n i c st e s t i n ga n dt h et e s tr e s u l to fg r o u n d s t r e s s ，a n dt h er o a d w a ys u p p o r to f311II If a c e m i n i n gi sd e s i g n e db yt h eu s eo fd e s i g ns y s t e m s ．W eC a ng e tb e t t e rs u p p o r td e s i g ns c h e m eb y u s i n gt h ef r i e n d l yi n t e r f a c eo ft h ed e s i g ns y s t e m ．T h a tc o u l db eb a s e do nt h eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h es h a p ea n ds i z ef r o mc r o s ss e c t i o n ，a n dt h eb a s i c m e c h a n i c a le x p e r i m e n t sf r o mc o a l - r o c k ；F L A C 3 us i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e db ya n dh a v e p r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g no ft h es y s t e m ． K e y w o r d s c o a lr o a d w a y , b o l ts u p p o r t i n g ，e x p e r ts y s t e m ，s u p p o r td e s i g n ，F L A C Ⅲ，a s i m u l a t i o nm e t h o d 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绪论．．．．。．．．。．．．．．．．。．．．。．．．．．．．．．．．．。．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．。．。．．．．．．。．．．．．。．．。．．．．．⋯．．。．。。．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 课题的提出和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．3 课题研究的内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．4 主要研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 自然平衡拱煤巷锚杆支护设计理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 锚杆支护理论评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯8 2 ．2 锚杆支护设计的基础资料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 锚杆支护的工程类比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．4 按自然平衡拱理论锚杆支护设计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 煤巷锚杆支护设计系统的开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 编程语言的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2C 舟语言编写W i n d o w s 应用程序概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．3 文本文件读写方法介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 动态链接库D L L ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．5 系统流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 鲁西煤矿3 1 1 1 i i 工作面概况及开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．231 1l I l 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 巷道围岩力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．43 1 1l I l 工作面开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 53 1 1 1 l l 顺槽支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 5 ．1 设计所需要的基本参数⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．2 支护设计系统运行⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 确定支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 支护方案数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 巷道围岩应力特征变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．3 巷道围岩位移变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．4 巷道围岩塑性区的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯．o o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．o o o o o o o o o o ⋯。7 6 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 1 5 C 谢．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文C o n t e n t s C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．1 1 ．1T h eP u r p o s ea n dS i g n i f i c a n c eo f T h e T o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2T h eR e s e a r c hS t a t u sa tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3T h eR e s e a r c hC o n t e n ta n dM e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4T h eM a i nR e s e a r c hR o m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2N a t u r a lB a l a n c eA r c hC o a lR o a d w a yB o l t i n gD e s i g nT h e o r y ⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1T h eE x i s t i n gT h e o r yo f B o l tS u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2T h eB a s i so f B o l t i n gD e s i g nI n f o r m a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 E n g i n e e r i n gA n a l o g yM e t h o do f B o l tS u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．4B o l tS u p p o r tD e s i g nM e t h o dA c c o r d i n gt o T h eN a t u r a lE q u i l i b r i u mA r c hT h e o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．5T h eC h a p t e rS u m m a r y ．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．2 5 3T h eD e v e l o p m e n ta n dI m p l e m e n t a t i o no fC o a lS e a mR o a d w a yB o l tS u p p o r tD e s i g n S y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1T h eC h o i c eo f P r o g r a m m i n gL a n g u a g e ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2W i t hC 撑L a n g u a g et oW r i t et h eO v e r v i e wo f W i n d o w s A p p l i c a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3T h eI n t r o d u c t i o no f AT e x tF i l et oR e a dA n d Ⅵ1 r i t eM e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．4T h eD y n a m i cL i n kL i b r a 黟- D L L ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．5 S y s t e mF l o w c h a r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．6T h eC h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4L u x i C o a lM i n e3 1 1 1 nW o r k i n gF a c eS u r v e yA n d M i n i n gP l a n ⋯ 4 ．1G e n e r a lS i t u a t i o no f M i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2G e n e r a lS i t u a t i o no f 311I nW o r k i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．⋯4 3 4 ．3G e n e r a lS i t u a t i o no f 311I nW o r k i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4M i n i n gP l a no f 3 11I I IW o r k i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．5T h eC h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2 5T h eS u p p o r tD e s i g no f3 1 1 1 nG a t eR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．1T h eB a s i cD e s i g nP a r a m e t e r sN e e d e d ．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．。．．．．．．．．．．．．5 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 C o n t e n t s 5 ．2 O p e r a t i o no f T h eS u p p o r tD e s i g nS y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3D e t e r m i n eT h eS u p p o r t i n gS c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．4T h eC h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 ； 6N u m e r i c a lS i m u l a t i o nA n a l y s i so fT h e S u p p o r t i n gS c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．1M o d e l B u i l d i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 C h a n g eC h a r a c t e r i s t i c so fS u r r o u n d i n gR o c kS t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．3 D i s p l a c e m e n tC h a r a c t e r i s t i c so fS u r r o u n d i n gR o c k ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 6 ．4C h a n g e si nT h eP l a s t i cZ o n eo fS u r r o u n d i n gR o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．5T h eC h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ； 7T h eC o n c l u s i o na n dO u t l o o k ．⋯⋯⋯⋯．i ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 7 ．1T h eC o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 7 ．2T h eO u t l o o k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 A c k n o w l e d g e m e n t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．7 8 R e f e r e n c e s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 9 万方数据 出丕型拉太堂亟堂僮i 金塞 缝论 1 绪论 1 ．1 ．1 课题的提出 1 ．1 课题的提出和研究意义 多年来我国的能源格局一直是富煤、少气、缺油，煤炭在我国一次性能源结构中的 比例是7 0 ％左右1 1 1 ，是我国的主体能源，煤炭的需求量和年实际开采量随着国民经济的 迅猛发展不断攀升，而我国的能源存储数量也决定着煤炭在我国能源结构中的主体地位 在接下来的几十年内不会发生改变。在未来相当长一段时间内，我国对煤炭产量的需求 将会持续，这是由我国的国民经济发展对资源的开采和消耗依赖所决定的。 据不完全统计，国有大中型煤矿每年新掘进的巷道总长度高达8 0 0 0 k i n 左右，8 0 ％ 以上是开掘在煤层中的巷道，保持巷道畅通与围岩稳定对煤矿建设与安全生产具有着重 要的意义【2 1 。煤矿巷道支护已经经历了从棚式支护到锚杆支护的发展过程，通过多年来 的经验和总结，证明了锚杆支护明显的优越性【3 】。 矿山的生产安全能否得到保障和经济效益能否得到提高，都与矿山巷道支护设计的 正确与否有直接关系。因此，巷道支护设计的关键是，如何根据巷道的几何形状、围岩 状况、使用目的、服务年限等因素来确定巷道支护方式；如何使其在服务年限内保持技 术上可行，经济上合理1 4 】。 随着浅部煤层大量的开采，煤矿开采的深度将越来越深，随着开采深度的加深，地 质条件也有明显变化，巷道支护变得越来越困难1 5 】。长期以来，工程类比法都是我国煤 矿支护设计的主要设计方法，现有的煤矿巷道的条件又超出了以往的经验范畴，根据以 往的经验进行设计，很难满足现在的支护要求。本文将以我国煤炭需求量与日俱增、煤 矿开采深度不断加大、开采条件日益变化为背景，试图通过对巷道支护设计方式进行研 究，从而提出新的设计方式，以效率更高、人力负担更轻、准确程度更高、时间更省为 原则进行巷道支护系统的设计。 1 ．1 ．2 课题的研究意义 巷道支护专家系统软件是一个面向煤矿现场工程技术人员、通过运用专家解决实际 司题的推理机制，对输入信息进行处理、归纳和演绎，最终代替巷道支护专家对各种复 1 万方数据 出苤科技太堂亟堂焦i 金塞缝i 金 杂的巷道支护问题做出判断和决策的智能软件【6 1 。 近年来，人工智能技术和网络技术在发展和对煤炭行业的渗透的过程中，为煤炭工 业的信息化建设不断地注入新鲜血液。传统的巷道支护设计方式必将被借助计算机编制 的煤矿回采巷道支护专家系统所代替。专家系统技术能够大面积推广领域专家的宝贵经 验，是一项非常先进和实用的技术，能够让各种专门人才更大程度地发挥作用；同时可 以不受地点、时间及人为因素的影响，在某些方面比人类专家要灵活很多，而且作为一 种计算机系统，继承了计算机准确、快速的特点。 专家系统利用大量的实践知识和专家经验，然后通过采用推理策略得出结论。所 以，专家系统是能像专家一样工作，完全具有领域专家水平的知识的智能程序系统。 作为一个面向工程技术人员的决策问题，煤矿回采巷道支护设计要求工程技术人员 具有丰富的工程实践经验。同时涉及到岩土力学、岩土工程、施工、地质等多学科的知 识以及巷道所在地区的环境、施工、地质等多方面的条件。在支护设计的过程需要做更 精确的计算、工程类比、模拟以及支护可靠性等各个方面的考虑，因为其中可循的规律 不够精确。因此，想要得到切合实际的支护设计方案，仅仅依赖工程技术人员来做判断 是不准确的，同时需要借助计算机技术这种先进的工具和手段来进一步的对支护设计方 案进行反复计算和比较。 本文所提出的研究煤巷锚杆支护设计系统的课题，具有十分广泛的应用前景。本课 题旨在通过将面向对象技术和人工智能的新技术结合，来解决煤矿回采巷道支护设计问 题。该系统的开发对提高煤矿经济效益和现代化管理水平，有非常重要的理论价值和现 实意义。 1 ．2 ．1 锚杆支护研究现状 1 ．2 国内外研究现状 1 国内锚杆支护技术的发展 1 9 5 6 年我国巷道开始采用锚杆支护技术，到现在差不多6 0 年的历史了。锚杆支护 应用到煤矿开采中是在1 9 6 0 年，由于巷道受上覆岩层和水平应力的作用，导致巷道围 岩松软、破碎，受采动影响巷道顶板下沉量大，底板底鼓现象严重，这就需要对支护技 术有较高的要求，再加上当时锚杆支护技术正处于发展阶段，理论和实践技术并不够完 善，因而发展较慢【7 1 。 2 万方数据 出苤科拉太堂亟堂焦i 金塞 绪i 金 我国的锚杆支护技术在经历了“八五“ 、“九五“ 技术攻关和引进学习国外先进的 巷道支护技术后，发生了质的飞跃，从利用木棚和混凝土棚、金属棚支护的被动支护方 式不断地发展到现在的锚杆锚网索联合主动支护，为我国的煤炭事业带来了巨大的经济 效益，使我国的支护技术达到或超越了国际先进技术。随着科学技术的发展，很多先进 的支护材料的出现应用，如锚杆杆体的材料由原来的低强度向高、超高强度发展；支护 结构趋近于围岩的变形规律；锚杆的直径也得到了更大的发展变得类型越来越多。锚杆 从材料、直径到支护面积都有了巨大的发展，适用范围变得越来越广【8 】。 山东科技大学为全国众多矿区深部高地压支护和动压巷道支护做了大量研究工作， 将已有的支护理论结合我国煤矿具体情况进行分析，从机理上可以总结为两点 1 巷道变形平衡支护； 2 围岩应力平衡支护。尤其是动压巷道的高强预应力锚杆支护技 术，应用效果显著，基本形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术。 2 国外锚杆支护技术的发展 1 9 世纪末期，应用锚杆加固边坡在英国北威尔士露天页岩矿第一次使用，从此， 水利、矿山、交通等岩土工程领域开始广泛使用锚杆支护方法，进而锚杆支护技术得以 改进和提高，锚杆支护理论也因此得到不断的发展和完善。 1 9 1 2 年，锚杆支护技术在德国谢列兹矿最先被应用于地下巷道的围岩控制。2 0 世 纪4 0 年代以后，锚杆支护技术得到迅速的发展，现在已经成为主要支护形式被用于世 界上主要产煤国家的煤矿。 澳大利亚和美国因煤层赋存条件好，所有巷道都采用锚杆支护，因而，其锚杆支护 处于世界领先水平。过去，在一些欧洲的主要产煤国家，金属支架支护是巷道支护的主 要形式，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各个国家均在积极地发展锚杆支 护。英国的锚杆支护技术发展速度非常快，在上个世纪世纪八十年代以前，金属支架支 护在英国煤矿占到9 0 ％以上，但是支护成本过高和回采工作面单产及效率低下等原 因，使其严重亏损。1 9 8 7 年，锚杆支护技术从澳大利亚引进了英国，然后在英国得到 了快速的发展，1 9 9 4 年在巷道支护中的比例已经占到8 0 ％以上。 作为世界主要产煤国之一，澳大利亚的煤炭储量相当丰富，世界排名仅位居美国、 中国之后。树脂锚杆在澳大利亚的煤矿巷道支护中是使用最多的，占到锚杆使用量的 9 8 ％。全长树脂锚杆在澳大利亚倍受推广，其不仅锚杆强度高，而且锚杆参数设计方法 具有独到之处。将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各 部分作为一个系统工程进行考察，使他们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护设计的 万方数据 出丕抖技太堂亟堂僮趁塞缮监 系统设计方法。 通过研究国外的锚杆发展经验，总结出以下几个主要特点 1 高强度及超高强度是国外锚杆的发展方向。其主要有两种发展途径一继续加 大锚杆直径。二是是研制具有较好延伸率和强度较高的锚杆材料。 2 发展适用于本国煤矿巷道围岩地质条件和生产条件的锚杆类型。澳大利亚和英 国的主要发展方向是全长树脂锚杆，德国不仅发展树脂锚杆，同时还大力发展可伸长锚 杆。美国则主要发展树脂锚杆、机械及摩擦式锚杆等主要的适用类型。俄罗斯却是兼用 各种类型。 3 促进各国锚杆技术发展的不可或缺的因素之一是，不断地完善锚杆施工配套机 具。掘锚一体机的发展让巷道掘进和锚杆施工更为方便快捷。 4 完善锚杆支护监测系统。锚杆支护是一种隐蔽性很强的工程，只有完善锚杆支