煤巷锚杆支护设计及机械式围岩监测仪的研制.pdf

在职工程硕士 ⑧ 己工工誓女 硕士学位论文 专业型 论文题目堪鲞锚枉支控遮i 及扭越式国岩监测仪的研制 提交日期2 0 1 7 年0 5 月 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 煤巷锚杆支护设计及机械式围岩监测仪的研制 作者姓名朱晓东 企业教师刘平 教授级高工 校内导师鲍雨梅 教授 浙江工业大学机械工程学院 2 0 1 7 年0 5 月 万方数据 D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oZ h e ji a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 、 f o r t h eD e g r e eo fM a s t e r D e s i g no f B o l tS u p p o r ti nC o a lR o a d w a ya n dD e v e l o p m e n to f M e c h a n i c a lM o n i t o rf o rS u r r o u n d i n gR o c k C a n d i d a t e Z h ux i a o d o n g A d v i s o r B a oY u m e i P r o f e s s o r L i np i n g P r o f e s s o rs e n i o re n g i n e e r C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y M a y2 0 1 7 万方数据 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证 书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名 日期2 0 1 7 年5 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权浙江工业大学可以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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” 口保密，在年解密后适用本授权书。 回不保密。 作者签名 导师签名 脚券t 辟 日期2 0 1 7 年5 月6 日 日期2 0 17 年5 月6 日 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 煤巷锚杆支护设计及机械式围岩监测仪的研制 摘要 煤炭资源是支撑全球经济发展的主要基础能源，煤矿的安全高效开采和可持续发展是 一个研究热点。据统计，在各类型的煤矿事故当中，巷道顶板事故发生率最高、最为严重。 开展煤巷锚杆支护设计及机械式围岩监测仪的研究与开发，实现煤矿巷道顶板的安全监 测，具有比较重要的现实意义。 本文根据锚杆支护强化围岩强度理论，确定了沿空掘巷段巷道锚杆的合理支护参数。 对煤巷机械式围岩监测仪上的“位移探测器”即孔中锚固器的锚固问题，以及“位移传感 器”即位移测绳的持久传输问题进行优化设计。并利用收敛计来校验了煤巷机械式围岩监 测仪的精确性，并将研制的监测仪投入实际使用。 本文的主要工作和成果如下 1 、根据锚杆支护强化围岩强度理论，建立了数值计算模型，采用F L A C 3 D 数值模拟 沿空掘巷段巷道的锚杆预紧力、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距等合理的支护参数，提 出了某煤矿21 煤运输巷进行锚杆支护方案设计。 2 、提出了煤巷机械式围岩监测仪的关键技术在于“位移探测器”即孔中锚固器的锚固 问题，以及“位移传感器”即位移测绳的持久传输问题。通过结构设计及原理分析，设计 了监测仪的整体结构，并重点对锚固器和位移测绳进行了设计和优化。 3 、利用J S S 3 0 。1 0 型伸缩式数显收敛计校验了煤巷机械式围岩监测仪的精确性。将研 制的煤巷机械式围岩监测仪投入到矿井生产中进行煤巷围岩变形监测，监测数据表明所提 出的煤巷锚杆支护方案具有良好效果。 通过煤巷锚杆支护设计以及围岩监测仪的研制，为煤矿巷道提供了支护设计到质检的 一站式围岩控制解决方案。所研制的煤巷机械式围岩监测仪，采用简单、可靠的机械结构 实现了煤巷围岩监测的功能。 关键词煤巷锚杆支护，机械式监测仪，锚固器，位移测绳，优化设计 论文类型应用研究 万方数据 A B S T R A C T D e s i g no f B o l tS u p p o r t i nC o a lR o a d w a ya n dD e v e l o p m e n to f M e c h a n i c a lM o n i t o rf o rS u r r o u n d i n gR o c k A B S T R A C T C o a lr e s o u r c ei st h em a i nb a s i ce n e r g yt os u p p o r tt h eg l o b a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ．T h e s a f e t ya n de f f i c i e n tm i n i n ga n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec o a la r er e s e a r c hh o t s p o t ． A c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，a m o n gt h ev a r i o u st y p e so fc o a la c c i d e n t s ，t h ea c c i d e n to ft h er o a d w a y r o o fi st h em o s tc o m m o na n ds e r i o u s ．I ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tt h ed e s i g n o fb o l ts u p p o r ti nc o a lr o a d w a ya n dd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lm o n i t o rf o rt h es u r r o u n d i n g r o c kt or e a l i z et h es a f e t ym o n i t o r i n go fc o a lr o a d w a y A c c o r d i n gt ot h es t r e n g t h e n i n gt h e o r yo fs u r r o u n d i n gr o c kr e i n f o r c e db yb o l ts u p p o r t ，t h e r e a s o n a b l es u p p o r t i n gp a r a m e t e r so ft h eb o l ti nt h ee m p t yd i g g i n gl a n ea n dr o a d w a ya r e d e t e r m i n e d ．T h ed i s p l a c e m e n td e t e c t o r t h ea n c h o r a g ep r o b l e mo ft h eb o l t sa n dt h ed i s p l a c e m e n t s e n s o r - t h ed u r a b l et r a n s m i s s i o np r o b l e mo ft h ed i s p l a c e m e n tt e s t i n gr o p ea r e o p t i m i z e d c o n c e r n i n gt h em e c h a n i c a lm o n i t o ro ft h ec o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ．T h ea c c u r a c yo ft h e d e v e l o p e dm e c h a n i c a lm o n i t o ri sv e r i f i e dw i t hs t a n d a r dc o n v e r g e n c em e t e r ．T h ed e v e l o p e d m e c h a n i c a lm o n i t o rf o rt h ec o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ki sp u ti n t op r a c t i c a lu s e T h e m a i n W O r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 ．A c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fa n c h o r a g es t r e n g t h e n i n gf o rt h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e li Se s t a b l i s h e d ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nS O f t w a r eo fF L A C 3 Di Su s e dt o s i m u l a t et h ea n c h o rp r e l o a d ，a n c h o rd i a m e t e r , a n c h o rl e n g t ha n da n c h o rs p a c i n ga n do t h e r r e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e r sa l o n gt h ee m p t yd i g g i n gl a n ea n dr o a dw a y ．T h eb o l ts u p p o r t d e s i g n i n gs c h e m ef o rN o ．21 c o a lt r a n s p o r t a t i o nl a n e si nac o a lm i n ei sp u tf o r w a r d I I 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 2 ．I ti sp o i n t e do u tt h a tt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h em e c h a n i c a lm o n i t o rf o rt h ec o a lr o a d w a yi s t h e ”d i s p l a c e m e n td e t e c t o r ” t h eb o l t i n gp r o b l e mo ft h eb o l t ，a n dt h ed i s p l a c e m e n ts e n s o r t h ed u r a b l en ．a n s m i s s i o np r o b l e mo ft h ed i s p l a c e m e n tt e s t i n gr o p e ．T h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h em o n i t o ri sd e s i g n e df o c u s i n go nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h eb o l ta n dd i s p l a c e m e n t t e s t i n gr o p et h r o u g ht h es t r u c t u r a ld e s i g na n dt h ep r i n c i p l ea n a l y s i s ， 3 ．T h ea c c u r a c yo ft h ed e v e l o p e dm e c h a n i c a lm o n i t o ri sv e r i f i e dw i t hs t a n d a r dJ S S 3 0 1 0 t e l e s c o p i cd i g i t a lc o n v e r g e n c em e t e r ．T h ed e v e l o p e dm e c h a n i c a lm o n i t o rf o rt h ec o a l r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ki sp u ti n t op r a c t i c a lu s et om o n i t o rt h ed e f o r m a t i o no ft h e s u r r o u n d i n gr o c ki nt h em i n ep r o d u c t i o n ．T h em o n i t o r i n gd a t as h o wt h a tt h ep r o p o s e db o l t s u p p o r ts c h e m eh a sag o o de f f e c t T h ed e s i g no ft h ec o a lr o a d w a yb o l ts u p p o r ta n dt h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lm o n i t o r f o rt h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h ec o a lm i n er o a d w a yp r o v i d eao n e - s t o ps o l u t i o nf o u n d a t i o n f r o mt h es u p p o r t i n gd e s i g nt ot h eq u a l i t yc o n t r o lf o rt h es u r r o u n d i n gr o c k ．T h ed e v e l o p e d m e c h a n i c a lm o n i t o rf o rt h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h ec o a lm i n er o a d w a yf e a t u r e ss i m p l ea n d r e l i a b l ed u et oi t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r et oi m p l e m e n tt h em o n i t o r i n go fc o a lr o a d w a y ． K e y w o r d s B o l ts u p p o f [ i nc o a lr o a d w a y ，M e c h a n i c a lm o n i t o r , D i s p l a c e m e n tt e s t i n gr o p e ，O p t i m a l d e s i 雪a T y p eo ft h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h I I I 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 、， 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 煤巷锚杆支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 煤矿巷道支护围岩监测仪研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 传统围岩监测仪存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 课题目标和研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 , 4 课题研究成果及创新点概括如下⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第2 章煤巷锚杆支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 锚杆支护机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 锚杆支护强化围岩强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 锚固体的力学行为分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 煤巷支护数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．1F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．2 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．2 ．3 锚索布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 2 ．3 煤巷锚杆支护施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 第3 章煤巷机械式围岩监测仪研制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2Y X D ．1 监测仪研制的关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 结构设计及原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．4 骨架设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 锚固器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 T V 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 3 ．5 ．1 锚固器结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．5 ．2 锚固器结构参数试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 3 ．5 ．2 ．1 锚固器的钢丝及触脚⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．5 ．2 ．2 锚固器的骨架一钢管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．5 。2 ．3 卡环及钢丝穿管位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 3 ．5 ．3 锚固器结构参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．6 测读系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．6 ．1 位移测绳设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．6 ．2 指数环设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 3 ．6 ．3 其他元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 - 7 安装使用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ，7 ．1 设计目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．7 ．2 安装使用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 3 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 第4 章煤巷机械式围岩监测仪校验与工业性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．1 煤巷机械式围岩监测仪校验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 锚杆支护工业性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 ．1 监测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．2 掘进影响期间、掘后稳定期间巷道收敛分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 6 4 ．2 ．3 回采期间巷道表面l 忮敛分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 第5 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 本文主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 V 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 1 ．1 选题背景与研究意义 第1 章绪论 当前，煤炭资源仍是支撑全球经济发展的主要基础能源t n 。就我国而言，煤炭资源在“十 三五”期间的能源消费中，仍将占据超过6 0 ％的比重【2 】，在很长一段时期内煤炭作为主要消费 能源的基本国情不会改变。为适应日益增长的能源消费需求，我国对煤炭工业提出了更高的发 展要求，煤矿的安全高效开采和可持续发展依然是重要的热点议题t 3 - s 】。 我国仍是世界上煤矿安全事故率高发的国家，煤矿安全处于并将长期处于我国国民经济生 活中的重要位置。在矿难事故中，矿用设备比较落后的地方和乡镇煤矿中占有较大比例。据统 计，在各类型的煤矿事故当中，巷道顶板事故发生率最高、最为严重。近年来的统计数据表明， 顶板事故造成的死亡总人数约占各类事故中的5 0 ％嘲以上，而且主要发生在巷道掘进工作面与 采煤工作面。因此，煤矿巷道顶板安全的监测十分重要，通过采用监测仪器，有效监控和了解 巷道顶板岩层的离层和围岩松动情况，以采取有效措施进行加固，保障安全生产m 。 a 煤矿巷道变形破坏图 b 巷道支护设计图 图1 - 1 巷道围岩控制 煤矿巷道■，s ] ，简称煤巷，是指在煤矿开采过程中掘进的通道，为了提升和运输煤炭及物 资，为了通风和排水以及动力供应。锚杆支护是一种围岩加固方式，是指对各类矿山巷道、地 下隧道和岩土基坑等工程以及煤矿采场和硐室采用锚杆支护。煤矿开采形成的巷道都要采取合 理的支护方案进行支护，否则巷道的四周的岩体 ，6 0 k N 。 ③锚杆外露长度大于2 0 m m 、小于6 0 m m 。 ④按要求，锚杆长度比锚杆孔深大5 0 m m 。如顶板和两帮锚杆长度为2 4 0 0 m m ，则锚杆孔 万方数据 第二章煤巷锚杆支护方案设计 深都要严格按2 3 5 0 ～2 4 0 0 m m 之间控制。 ⑤将锚杆推至孑L 底再搅拌药卷，锚杆滚丝控制2 0 ～5 0 m m 的外露长度。 ⑥金属网应紧贴煤壁施工，钢筋梯子梁应紧贴金属网，托盘应紧贴钢筋梯子梁。 ⑦锚杆间排距误差不超过5 0 r a m 。 ⑧锚杆预紧力 ，2 0 k N 、安装扭矩≥2 0 0 N m ；锚索预紧力≥1 0 0 k N 、安装扭矩≥1 0 0 0 N ’I l l 。 ⑨如巷道超高3 0 0 m m ，两帮各补打帮锚杆一根；如巷道超宽3 0 0 r a m ，顶板补打顶锚杆一 根。 2 ．4 本章小结 本章围绕煤矿巷道锚杆支护设计，对锚杆支护机理进行分析，指出了锚杆支护原理主要有 以下两个方面一是通过锚杆支护对巷道提供径向约束，增加围压以强化围岩强度，提高了围 岩的稳定性；二是通过锚杆支护形成围岩锚固体，使巷道围岩形成拱桥效应，提高了围岩自载 能力。 以计算机数值模拟为手段，以实际工程为背景，根据某煤矿的实际生产地质条件，建立数 值计算模型，模拟确定了沿空掘巷段巷道的锚杆预紧力、锚杆直径、锚杆长度、锚杆问排距等 合理的支护参数，并拟定了运输巷和回风巷详细的锚杆支护方案与安全技术措施。 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 3 ．1 总体设计 第3 章煤巷机械式围岩监测仪研制 煤巷围岩监测仪是用于煤巷锚杆支护设计检验及支护效果监测的一种巷道围岩收敛计。 从广义上讲，煤巷围岩监测仪属于一种空间测距工具，它是专门用来测量煤巷围岩的收敛 程度的仪器。煤巷围岩监测仪按其读数方式不同分为机械直读式和自动数显式两种，其中机械 直读式按其构造形式和测点数量又可划分为不同的形式，以“T ”字形为主流。数显功能的煤巷 围岩监测仪多借助于蓝牙、无线电信号传输，在高温潮湿、地磁场强烈的深井中零部件容易锈 蚀失灵、传输信号也时常受到干扰，且监测成本高昂、经济代价太大，因此逐渐退出市场；传 统的机械式直读煤巷围岩监测仪，无论是材质还是结构都不能适应深井围岩监测的需要，因此 满足不了所需的监测精度。本文所研制的巷机械式围岩监测仪系在己有的机械式直读监测仪的 基础上，通过实验分析、类比分析、结构优化、工业校验研究等手段，克服数显式和传统机械 直读式监测仪的上述缺点，能够适应煤矿深部开采而进行比较精确监测的煤巷围岩监测仪。 3 ．2Y X D ．1 监测仪研制的关键技术 本课题所研制的煤巷机械式围岩监测仪系在传统煤巷围岩监测仪的基础上开发设计的，其 相对特点是结构简单、使用安装方便、监测精准、经济耐用。无论是传统机械式煤巷围岩监测 仪还是电子智能或无线传输围岩监测仪，普遍存在以下问题 1 “探测器问题”。锚固器容易从围岩钻孔中脱落，即锚固力偏低，显然锚固器脱落之 后这样的监测结果并不可靠，不能准确反映围岩变形。 2 “传感器问题”。测绳的强度不够而被拉断，或被腐蚀张断，远远达不到持久监测的 预期效果。 这几个现象也是本课题的技术难点。因此研制煤巷机械式围岩监测仪要解决的关键技术即 为 1 “准确探测”。通过对锚固器的锚固力影响因素进行实验分析，找到合适材质、并对 锚固器的结构设计参数进行优化，提高锚固器在围岩钻孔中的锚固力； 2 “持久传输”。对测绳的受力状况进行研究，找到测绳的受力薄弱点，并通过对比试 验寻求最佳测绳材质，提高测绳的抗腐蚀性和耐久性。 万方数据 第三章煤巷机械式围岩监测仪研制 3 ．3 结构设计及原理 煤巷机械式围岩监测仪的结构设计以最简易的结构满足功能需求为原则，在传统的监测仪 基础上进行精简，监测仪在煤矿井下广泛应用的背景下，大大节省了煤巷支护的监测成本，经 济效益明显提高。煤巷机械式围岩监测仪的主要元件包括孔中锚固器、位移测绳、测筒、复位 弹簧、特制三通管、安装固定管、指数环、导向螺丝、紧固螺丝、固定卡片等，详见图3 ．1 。 1 结构设计图 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 l 特带Ⅱ三通管2 固定安装管3 测筒4 钢管5 位移测绳6 复位弹簧7 外培管 B 内堵管 g 紧固螺丝 1 0 指数环 1 1 导向螺丝1 2 固定卡片1 3 缓冲垫圈 1 4 钢丝i s d e 环 2 结构剖面图 图3 1 煤巷机械式围岩监测仪结构详图 1 孔中锚固器 孔中锚固器 图3 ．2 的功能主要是定位，锚固器所在孔中的安装位置即为测点位置。在 实际测量过程中，锚固器需要分毫不移地固定在被安装的位置，这是保证煤巷围岩监测精度的 重要环节，因此锚固器的力学结构设计和材质性能研究非常关键。 4 钢管 1 4 钢丝1 5 卡环 3 2 锚固器结构图 2 位移测绳 位移测绳在煤巷机械式围岩监测仪中充当位移传感器的作用，它连接孔中锚固器和指数环 上的紧固螺丝，见图3 - 3 。在岩层传递相对位移的时候，位移测绳受到张拉力和摩擦力等物理 作用；高温潮湿和充满腐蚀性气体的深井下，位移测绳还受到腐蚀的化学作用。因此位移测绳 万方数据 第三章煤巷机械式围岩监测仪研制 的物理力学性能和化学性能在一定程度上决定了煤巷围岩监测仪的准确性和使用寿命 幽3 - 3Y X D I1 i 移测绳 3 测筒 测筒兼顾两个功能，即导向功能和“表盘”功能。在测筒上开一条合适宽度的平槽，使导向 螺丝在槽内做一维移动，这样由导向螺丝固定的指数环就只能沿一条直线做一维运动．以便于 准确指示读数。“表盘功能”是在测筒上张贴预先制定带有满足精度需要的刻塑胶薄膜度尺，指 数环移动到测筒上的位置都有相应的刻度指示。每个煤巷机械式围岩监测仪有两根测筒，由一 个特制的三通连接起来，分别服务于监测深基点和浅基点对应的围岩位移。见图3 _ 4 。 图3 - 4 测筒 4 复位弹簧 复位弹簧的作用比较简单，即“读数清零”。如图3 - 5 ，测绳不受拉力或深浅基点没有相对 位移的情况下，弹簧负责将指数环推到零刻度，且具有抗腐蚀性。 图35 测简 5 特制三通管 特制三通管除了连接两根测筒之外，还连接安装固定管 图3 - 6 。但特N - - 通管的作用 不仅仅是三管连接，还有弹簧卡位、位移测绳换向等功能。 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 ． 骨架设计图 2 骨架示意图 图3 7Y X D - 1 煤巷机械式囤岩监测仪的骨架结构 如图3 - 7 所示，煤巷机械式围岩监测仪的骨架结构简单，呈“T ”字形，主要由三根中2 5 m m 改性P P 塑胶管通过特制三通连接而成。改性P P 塑胶材料拥有良好的硬度和抗冲击强度、良 好的抗腐蚀性能、长期热稳定性，低温抗冲击强度高，易成型等优点，能够很好地适应煤矿深 井环境。 煤巷机械式围岩监测仪的三通管处在仪器骨架结构的中心位置，要求稳定可靠。 万方数据 第三章煤巷机械式围岩监测仪研制 与三通凸孔连接的塑胶管称为安装固定管 螺丝上了三个固定卡片，形成倒刺一样的结构 即主要是安装固定作用。安装固定管上用紧固 一方面使监测仪器不容易从围岩钻孔中滑落， 以维持稳定的监测；另一方面可以克服监测仪本身的重力，避免指数环无法清零的现象，从而 减小测读误差。 安装固定管与三通通过外径为o , 4 2 m m 的外堵管连接，堵管壁厚g m m ，管长3 0 m m ，用作 安装固定管往钻孔里伸入安装时候的卡位。 与三通平管两端连接的两根塑胶管称为测筒，一根用于深基点测围岩位移，一根用于浅基 点测围岩位移，两根测筒上的读书之和即为顶板离层值或两帮围岩离层值。每根测筒上张贴一 层薄膜塑料刻度尺，供读数所用；测筒上开5 r a m 槽，供指数环上的导向螺丝来回移动．带动 指数环指示当前岩层的变形位移。 两根测筒根部即与三通连接一端内部分别设有内堵管，内堵管在弹簧固定端，用作弹簧基 座，其内径以小于弹簧直径3 m m ～5 m m 为度，外径以能在三通和测筒内牢固连接为度。 3 ．5 锚固器设计 3 ．5 ．1 锚固器结构设计 煤巷机械式围岩监测仪的锚固器是由一根长度l O O m m 可为l O O m m ．1 2 0 m m 左右、壁厚 1O m m 、中l O m m 的不锈钢钢管与两根中2 m m 高弹性碳素钢钢丝 约1 3 5 m m I5 0 m m 弯制而 成，并用一个0 2 3 m m 卡环保持钢丝的触脚弹性和钢丝形态。锚固器必须紧密而牢固地固定在 被安装的位置，不能轻易脱落。 1 钳管2 钢丝3 卡环 1 结构设计图 图3 - 8 锚囿器 如图3 - 8 所示，锚固器的结构简单，制作加工都很方便。 1 、准备材料壁厚为1 ．0 m m 的中l O m m 不锈钢钢管1 根 2 实物图 制作步骤如下 ．中2 m m 高弹性碳素钢钢丝2 根 中2 3 m m 中空卡环 内径1 05 m m ～1 1O m m 2 、在距钢管一端l O m m 左右处对称打眼，为避免钢丝互相挤兑，相邻的两个眼之间错开 1 m m 至2 m m ，相对的两个眼之间保持平齐； k 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 专业型 3 、在卡环上等距对称钻四个眼，其大小以刚好能穿过钢丝为度； 4 、截取两根1 4 0 r a m 长钢丝，并将钢丝两端锤制为针尖状或将端截面切成斜面 5 、将钢丝穿过钢管，并把钢丝往钢管的长端方向进行第一次掰弯穿过卡环； 6 、把钢丝两端掰弯成反弧形成触脚，反弧度圆心角按1 0 0 。左右把握。 3 ．5 ．2 锚固器结构参数试验分析 考虑锚固器的结构形式主要是考虑锚固力的作用。影响锚固力的因素可能有钢丝直径、钢 丝触脚形状与围岩钻孔孔壁的摩擦力、不锈钢钢管直径、钢丝的材质和弹性、以及卡环大小、 钢丝在钢管上的穿孔位置、卡环穿孔位置见图3 - 9 等等。 固3 - 9 各种材质、结构类型的锚固器 锚固器结构参数的实验分析，是以测绳拉动锚固器在围岩钻孔中滑动时测绳的拉力为量 度。采用控制变量的试验方法研宄锚固器的锚固力。即选定钢丝直径、确定钢丝触脚的形状、 控制同一围岩钻孔以保证孔壁粗糙度不变，用相同直径、壁厚、长度的不锈钢管，并将以上变 量控制在合适范围， 3 ．5 ．2 ．1 锚固器的钢丝及触脚 如下表3 - 1 ，研究不同弹性模量 即不同材质 的钢丝对锚固力的影响，用3 0 0 N 弹簧测力 计进行测量读数。 表3 - 1 弹性模量一锚固力影响因素变量控制表 万方数据 第三章煤巷机械式围岩监测仪研制 1 - 5 i ．61 ．71 ．B i 1 92 ．0 2 ．12 2