發(fā)布時間：2020-06-13 10:11

【摘要】：煤巷頂板天然承載能力的智能感知是實現(xiàn)掘進施工智能化、無人化的先決條件。機器對現(xiàn)實世界的認知建立在對事物的數(shù)字化解構(gòu)之上,因此煤巷頂板天然承載能力的智能感知必須以頂板天然工程質(zhì)量的量化評價為基礎(chǔ)。作為海量試錯經(jīng)驗的總結(jié),巖體分類系統(tǒng)是目前唯一能為圍巖支護設(shè)計提供系統(tǒng)的、量化的、可驗證的巖體工程特性信息的方法。本項研究選擇巖體分類系統(tǒng)作為煤巷掘進工作面頂板天然工程質(zhì)量的量化評價依據(jù),通過其數(shù)據(jù)采集與分析方法的數(shù)字化與自動化探索,以期實現(xiàn)智能感知這一最終目標。論文圍繞“煤巷掘進工作面頂板質(zhì)量智能感知”這一研究目標,采用理論分析、現(xiàn)場實測、試驗室試驗、數(shù)值計算、算法開發(fā)、與設(shè)備開發(fā)六種方法展開綜合性研究。揭示了直接頂與上覆巖層工程特性變化對掘進工作面無支護頂板穩(wěn)定性的不同影響規(guī)律。建立了GSI數(shù)字圖像分類系統(tǒng),為直接頂工程質(zhì)量高效評價提供了底層標準。架構(gòu)了一種以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)全自動統(tǒng)計分析系統(tǒng),實現(xiàn)了無人工干預的參數(shù)統(tǒng)計分析計算過程。探討了利用聲波對頂板巖石材料進行強度參數(shù)原位測量的可靠性。研究得到的主要結(jié)論如下:(1)基于彈性薄板理論建立了煤巷掘進工作面無支護頂板三維力學模型,利用該模型研究了直接頂與上覆巖層工程特性變化對頂板穩(wěn)定性的不同影響。結(jié)果表明:直接頂有效承載厚度增加能最大程度地減小直接頂撓度最大值,拉應(yīng)力峰值次之,對切應(yīng)力峰值的抑制作用最小,但依然非常明顯;撓度最大值、垂直巷道走向拉應(yīng)力最大值((σ_x)_(Tmax))的峰值、與平行巷道走向拉應(yīng)力最大值((σ_y)_(Tmax))的峰值均隨直接頂泊松比的增加而增加。泊松比增加對空頂距較小情況下(σ_x)_(Tmax)峰值的提升作用要顯著于空頂距較大的情況;對空頂距較小情況下(σ_y)_(Tmax)峰值的提升作用要弱于空頂距較大的情況。直接頂泊松比變化對垂直巷道走向切應(yīng)力最大值((τ_(xz))_(Tmax))的峰值與平行巷道走向切應(yīng)力最大值((τ_(yz))_(Tmax))的峰值未產(chǎn)生影響;撓度最大值、(σ_x)_(Tmax)峰值、(σ_y)_(Tmax)峰值、(τ_(xz))_(Tmax)峰值、與(τ_(yz))_(Tmax)峰值均隨直接頂上覆軟弱巖層厚度的增加而增加,五者的增加形式受到空頂距變化的差異性干擾。(2)主流的巖體分類系統(tǒng)中,GSI系統(tǒng)是唯一完全基于巖體結(jié)構(gòu)的視覺觀察而建立的,這一獨有特征為以數(shù)字圖像技術(shù)為核心的直接頂自動快速評價方法的建立開辟了一條蹊徑。將GSI系統(tǒng)巖塊密合程度因素的量化轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍r體裂隙發(fā)育程度的量化。利用國際巖石力學學會對體積節(jié)理數(shù)J_v給出的塊體尺寸描述方法,對比分析了結(jié)構(gòu)評級參數(shù)和RQD兩種量化方法與GSI系統(tǒng)巖塊密合程度區(qū)間的契合度,得出了最適合巖塊密合程度因素的量化方法為結(jié)構(gòu)評級參數(shù)。提出了Joint Condition Digital Imaging Rating以實現(xiàn)GSI結(jié)構(gòu)面條件因素的量化。(3)架構(gòu)了一種以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)全自動統(tǒng)計分析系統(tǒng),命名為“煤層巷道掘進工作面直接頂數(shù)字圖像分類法”。該系統(tǒng)的標志性特征為“全自動”,實現(xiàn)了無人工干預的參數(shù)統(tǒng)計分析計算過程。系統(tǒng)的技術(shù)流程如下:首先使用數(shù)碼相機對巖面進行拍攝成像,接著以局部直方圖均衡化、自適應(yīng)伽馬修正、和中值濾波進行圖像預處理,然后通過區(qū)域生長分割與霍夫變換提取結(jié)構(gòu)面輪廓,經(jīng)輪廓細化與間斷點連接獲得結(jié)構(gòu)面骨架,最終計算結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)與GSI評級。開發(fā)的結(jié)構(gòu)面識別分析算法在工程現(xiàn)場展現(xiàn)了優(yōu)良的工作性能。(4)煤層巷道掘進工作面直接頂數(shù)字圖像分類法在強光環(huán)境下具有較高且穩(wěn)定的工作性能,在巖面照度300 Lux以下的弱光環(huán)境中依然能夠保持相當程度的工作性能。照射角度減小對該法的工作性能具有削弱效應(yīng),但其對小幅變化的照射角度具有良好的適應(yīng)性。該法的工作性能隨著濕度的增加而下降,但當濕度小于70%時,識別率依然能夠維持在50.7%之上。巷道掘進現(xiàn)場的濕度水平普遍低于70%,因此該法能夠克服工程環(huán)境濕度的干擾。粉塵濃度的增加對該法的工作性能并無顯著影響,其在粉塵環(huán)境中能夠保持較高的工作性能。(5)載荷循環(huán)次數(shù)增加時,煤系砂巖的P波與S波波速顯示出不同的響應(yīng)方式。循環(huán)載荷低于彈性極限條件下,煤系砂巖的P波波速隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小,而S波波速保持相對穩(wěn)定。此現(xiàn)象意味著循環(huán)應(yīng)力引起了水平與近水平微裂隙的開裂與發(fā)展,而在豎直方向上引起的變化較小。煤系砂巖的P波與S波波速在高應(yīng)力水平出現(xiàn)明顯的下降,表明巖石微觀結(jié)構(gòu)上的損傷快速發(fā)展,呈現(xiàn)出清晰的脆性行為。煤巖樣本長時蠕變過程中,多種內(nèi)部變形持續(xù)改變著煤巖結(jié)構(gòu),進而導致超聲波速與動態(tài)模量的波動。蠕變應(yīng)力作用下,煤巖的力學響應(yīng)是壓密與基質(zhì)開裂兩種機制之間的競爭結(jié)果,這種競爭關(guān)系中,基質(zhì)開裂弱化試件結(jié)構(gòu)進而增大聲波衰減,壓密作用造成試件在軸向的密實化進而減小聲波衰減。該論文有圖106幅,表46個,參考文獻252篇。
【圖文】：

圖 1-1 2013-2017 年我國煤礦事故和死亡人數(shù)統(tǒng)計ure 1-1 Coal mining accident and death statistics of China from 2013 to 2進是煤炭開采的基礎(chǔ)性工作，井下生產(chǎn)所涉及的回采、運、排水等工作全部依賴于掘進所創(chuàng)造出來的空間。據(jù)統(tǒng)計所開掘的煤及半煤巖巷道總量就已達到 9200 km[10-11]。但是水平低下又是采礦工作者必須面對的殘酷現(xiàn)實。目前我國回程度約為 90 %，掘進工作面綜合機械化程度約為 30 %[12]落后于回采。為保證快速推進的綜采工作面的正常接續(xù)，我

（c）開挖后前視圖 （b）開挖后橫截面圖圖 2-1 煤巷掘進工作面典型頂板巖層承載結(jié)構(gòu)Figure 2-1 Tycical bearing structure near a heading face in coal entry excavation本章利用彈性薄板理論[115]研究直接頂應(yīng)力狀態(tài)對上覆軟弱巖層厚度、工作幾何尺寸、直接頂力學性質(zhì)三因素變化的響應(yīng)機制。彈性薄板理論將研究對象為連續(xù)彈性介質(zhì)，由于忽略了結(jié)構(gòu)面集合這一重要因素，因此該模型的建立應(yīng)于以下三點假設(shè)：①研究對象為煤巷掘進工作面無支護直接頂?shù)膽?yīng)力狀態(tài)，該巖層的物理尺度量級為數(shù)米，由于地質(zhì)沉積環(huán)境的局部相似性，該尺度直接頂結(jié)構(gòu)面分布呈現(xiàn)統(tǒng)計學上的同質(zhì)性；②研究對象不包括受異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)（例如，層、火成巖侵入、陷落柱、地層褶皺等）控制的煤層頂板，從而提升了連續(xù)彈介質(zhì)模型的適用性；③連續(xù)彈性薄板模型中所包含的板厚、彈性模量、泊松比物理參數(shù)能夠間接反應(yīng)頂板巖層的完整程度，，因此連續(xù)彈性薄板模型的引入在化計算過程的同時能夠定性地描述結(jié)構(gòu)面集合對直接頂力學行為的影響。在明確以上分析之后，圖 2-1 中未支護直接頂可簡化為圖 2-2 中四邊簡支矩板，其中三邊鉸接于巖層中，一邊鉸接于最接近掘進面的一排錨桿。已有研究
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD327.2

【參考文獻】

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本文編號：2711021