锚杆锚固质量无损检测与巷道围岩稳定性预测机理研究

摘要

围岩稳定性分析与评价是地下工程永恒的主题。本文通过理论分析,实验研究,相似模拟和数值模拟,系统研究了锚杆锚固质量无损检测的理论基础,测试方法、波形识别及质量评价指标参数。建立了巷道围岩变形破坏过程中锚杆工作荷载与巷道周边收敛变形位移之间的对应关系,提出了一种基于锚杆工作荷载无损检测的巷道围岩稳定性实时检测与评价的新方法,并在煤矿井下进行了小规模的工业性试验,取得了如下几个方面的研究成果:
　　1.基于一维弹性杆的波动理论,建立了锚杆锚固状态下纵向振动的力学模型,得到了不同支承条件下锚杆在端头激发荷载作用下动态响应的解析解,为锚杆锚固质量无损检测技术提供了必要的理论支持。
　　2.在实验室进行了锚杆锚固质量无损检测的实验研究,提出了评价锚杆锚固质量的六个指标参数,即有效锚固长度、幅值比、衰减系数、基频、频率比和动刚度。通过对锚杆端头所测得的加速度响应的时频分析,可以准确测定锚杆的有效锚固长度,判断锚固端与围岩之间的支承固结状况,评估锚杆的锚固质量及极限承载力。
　　3.提出了“固结波速”的科学概念。通过模拟试验,确定了锚杆在锚固状态下,固结波速的赋值区间,得出了“锚杆与锚固体的粘结强度与固结波速在其赋值区间内呈负指数变化规律”的结论。根据锚固结构中固结波速的大小,可以预测锚杆的极限承载力,评价锚杆的锚固质量。
　　4.通过理论分析和实验研究,得出了“锚杆工作荷载与锚杆受激振动的主频呈幂函数关系变化”的结论。提出了“基于锚杆工作荷载无损检测的巷道围岩稳定性检测与评价”的新方法。通过对锚杆工作荷载的无损检测,可以现场实时评估锚杆支护结构及其巷道围岩的稳定性。现场工业试验研究结果证明了上述结论的正确性。
　　5.通过相似模型加载破坏试验,研究了巷道及地下结构变形、失稳、破坏各阶段锚杆工作荷载和围岩变形失稳的对应关系,揭示了模型加载变形破坏过程中,锚杆工作荷载随巷道围岩变形位移的演化规律。为通过锚杆工作荷载无损检测,评价锚固结构和巷道围岩稳定性,提供了必要的理论与技术支持。
　　6.根据相似模型试验的地质条件和原型尺寸,采用ANSYS有限元通用分析软件,进行了相应的计算机数值模拟,得出了与相似模型试验相同的结果,进一步验证了上述规律的正确性。
　　7.采用小波分析、多分辨率分析和自适应滤波等等现代信号处理与分析方法,对原始测试信号进行分析处理。误差对比分析结果表明,以上几种分析方法表现出很好的一致性,联合使用会提高测试信号分析的可靠度。
　　8.以MATLAB为平台,开发了锚杆锚固质量无损检测信号分析系统软件,初步实现了锚杆锚固质量无损检测的智能评价,提高了分析精度。程序界面形象直观。
　　9.现场工业试验研究结果表明:用锚杆锚固质量无损检测的方法,现场测定锚杆的锚固质量和工作荷载,实时评估和判断锚固结构和巷道围岩的稳定性,是一种方便、快捷的巷道围岩稳定性实时检测与评价方法,具有广阔的工业应用前景。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 本课题的提出及研究的主要意义

1.2 地下结构围岩稳定性分析及评价的研究现状

1.2.1 地下工程围岩稳定性的分析方法

1.2.2 地下结构围岩失稳判据的研究

1.3 锚杆锚固质量及工作荷载无损检测研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 锚杆锚固状态参数无损检测的理论基础

2.1 一维杆中的应力波传播理论

2.2 锚固状态下锚杆的纵向振动模型与解析解

2.2.1 锚杆锚固状态下力学模型的建立

2.2.2 模型的求解

2.3 锚杆与围岩相互作用

2.4 锚杆锚固质量、工作荷载与围岩稳定性分析

第三章 锚杆锚固状态参数无损检测的实验研究

3.1 锚杆锚固体系中应力波的传播规律

3.2 锚杆锚固质量无损检测的实验研究

3.2.1 模型制作

3.2.2 测试系统

3.2.3 锚杆锚固质量的评价

3.2.4 测试结果及分析

3.3 底端反射显现规律的实验研究

3.4 锚固体中的固结波速与锚固质量

3.4.1 固结波速的概念

3.4.2 力学模型的建立

3.4.3 固结波速的实验研究

3.4.4 实验结果分析

3.5 锚杆工作荷载无损检测的实验研究

3.5.1 荷载对锚杆动态响应的影响

3.5.2 锚杆工作荷载无损检测的实验研究

3.6 本章小节

第四章 基于锚杆工作荷载的巷道围岩稳定性模拟实验研究

4.1 锚杆工作荷载与锚固结构稳定性分析

4.2 锚固结构稳定性的相似模拟研究

4.2.1 模型的建立

4.2.2 模拟巷道的破坏特征及试验结果分析

4.3 锚固结构稳定性的数值模拟

4.3.1 计算模型的建立

4.3.2 模拟计算结果与相似模拟试验结果比较分析

4.4 本章小结

第五章 锚杆无损检测的信号分析与研究

5.1 测试信号特性分析

5.2 锚杆无损检测信号的小波分析

5.2.1 小波母函数与基函数

5.2.2 连续小波变换

5.2.3 离散小波变换

5.3 多分辨率分析

5.4 小波包分析

5.4.1 小波包分析原理

5.4.2 小波包的定义

5.4.3 小波包算法

5.5 自适应滤波分析

5.6 几种分析方法的比较

第六章 无损检测信号分析系统的设计和应用

6.1 系统编写语言—MATLAB 简介

6.2 系统设计

6.2.1 系统流程分析

6.2.2 系统总体功能划分

6.3 系统应用

第七章 锚杆锚固质量无损检测的工业试验研究

7.1 概述

7.2 东山煤矿的工业试验

7.3 两渡煤矿的工业试验

7.4 本章小节

第八章 结论与展望

8.1 本文的主要结论

8.2 存在的问题及需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果