D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.03.043 第24卷第3期 北京科技大学学报 Vol.24 No.3 2002年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2002 复合岩体支护巷道破坏规律的 试验系统研制与应用 石平五0来兴平12) 伍永平) 1)西安科技学院，陕西省岩层控制重点实验室，西安7100542)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要介绍了地下岩石复合材料支护巷道破坏规律的模拟试验系统的组成、功能与应用 研制本装置系统目的在于对开采引起裂隙演化规律的全过程模拟，通过对全过程监测信息统 计、推断，寻找裂隙演化的应力、位移，时空关系及其稳定性影响因素，为在复杂山体建筑物下 煤层群开采时上覆岩层变形的研究提供理论依据. 关键词非线性；岩石复合材料；过程监控；耦合监测 分类号TD325 1系统分析与研制 相似模拟试验系统 根据现场工程应用与实验室分析需求，研 全息数码 测量系统 试验初始化 制了复合岩体支护集成全息数码试验系统，其 捕获仪CCD系统 标定系统 USB接口 主要包括：复合岩体相似模拟试验系统；非线性 位移，应力应变， Win98/平台 全息过程监控系统 声发射(AE)测量系统 相似材料模拟试验是根据相似理论，通过 介质损伤演化 Image图像 数据挖掘分析系统 对模型的复合岩体介质变形、位移、裂隙损伤演 过程统计规律 分析系统]OriginLab/MatLab/ANN 化破坏等行为的观测、分析来解决现场实际问 题的一种有效方法.如相似模拟在大型电站、水 非线性预测预报 库的模型模拟等， 非线性全息过程监控系统结构图如图1. 图1过程监控系统结构 (I)CCD(图像传感器芯片)系统.主要由图 Fig.1 The structure of process inspection system 像传感器（包括数码相机等巷道全息变形过程 数据方式保存的，所以可以同时保留各种类型 捕获仪器或装置、CCD摄录电子系统等)组成. 的其他数据. (2)测量系统.本系统主要完成系统主要参 (⑤)数据挖掘分析系统.本系统主要将传统 数测量（位移、应力、能量）与识别，主要包括初 统计方法、人工智能技术、神经网络技术等形成 始化标定仪器、位移、应力、应变、声发射、水准、 新的数据分析系统—数据挖掘，该软件系统 沉降观测等装置组成. 由OriginLab系统、MatLab系统、数值模拟软件 (3)损伤演化过程分析.主要通过对围岩（石） 和ANN(人工神经网络)集成组成OriginLab 这种多孔介质的裂隙统计，变形损伤，固、液、气 是数据分析和绘图软件，其包括两大功能：数据 三相耦合作用机理等细观损伤过程的分析研 挖掘和绘图.MatLab由矩阵软件工具包逐渐发 究，探求大变形破坏机理及过程 展成为集通用科学计算，图形交互、系统控制和 (4)Image图像分析系统.数字图像可以保留 程序设计于一体的软件.ANN是人工神经网络 监测对象的更多信息.因为数字图像是以矢量 软件系统，可模拟人的大脑思维模式，进行统 收稿日期2001-12-11石平五男，58岁，教授 *国家自然科学基金资助课题(No.50074002)和陕西省岩层控制重点实验室
第 2 4 卷 第 3 期 2 0 0 2 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s ity o f S e i e n c e a n d Te e h n o le gy B e ij i n g 丫心1 . 2 4 N o . 3 J u n . 20 02 复合岩体支护巷道破坏规律的 试验系统研制与应用 石 平五 ` ’ 来兴平 ’ ,2) 伍永平 ” 1)西安科技学院 , 陕西省岩层控制重点实验室 ,西安 71 0 0 54 2) 北京科技大学土木与环境工程学院 ,北京 10 o Q83 摘 要 介绍 了地下 岩石 复合材料 支护巷 道破 坏规律的模拟 试验 系统 的组 成 、 功 能与应 用 . 研 制本 装置 系统 目的在于对 开采 引起裂 隙演化 规律 的全 过程模拟 , 通过 对全过 程监测 信息 统 计 、 推 断 , 寻 找裂 隙演化 的应力 、 位移 , 时空 关系及 其稳 定性影 响因素 , 为在 复杂 山体建 筑物 下 煤 层群 开采时上 覆岩层 变形 的研究 提供理 论依据 . 关键词 非线 性 ; 岩石 复合材 料 ; 过 程监控 ; 藕合 监测 分类号 T D 3 2 5 1 系统分析与研制 根据现场工程应用 与实验 室 分析需 求 , 研 制了 复合 岩体支护集成全息数码试验系统 , 其 主要包括 : 复合岩体相似模拟试验系统 ; 非线性 全息过程监 控系统 . 相 似材料模拟试验是根据 相似理论 , 通过 对模型 的复合岩体介质变形 、 位移 、 裂 隙损伤演 化破坏等行为 的观测 、 分析来解决 现场实际 问 题的一 种有效方法 . 如相 似模拟在大型 电站 、 水 库的模型模 拟等 . 非线性全息过程监控系统结构 图如 图 1 . ( l ) C C D (图像传感器芯 片 ) 系统 . 主 要由图 像传感器 (包括数码相机 等巷道全息变形 过程 捕获仪器或装置 、 C C D 摄 录电子 系统等 )组 成 . (2 )测 量 系统 . 本系统 主要完成系统主要参 数测量 (位移 、 应力 、 能量 )与识别 , 主 要包括初 始化标定仪器 、 位移 、 应力 、 应变 、 声发射 、 水准 、 沉降观测等装置组成 . (3 )损伤演化过程分析 . 主 要通 过对 围岩(石 ) 这种多孔介质 的裂隙统计 , 变形损伤 , 固 、 液 、 气 三 相藕合 作用 机理 等细 观损伤 过程 的 分 析研 究 , 探求大变形 破坏机理及 过程 . ( 4 l) m ag e 图像分析系统 . 数字图像可 以保 留 监测对象 的更 多信 息 . 因为数字 图像是 以矢量 收稿 日期 2 0 0 1 一 12 一 1 石 平五 男 , 58 岁 , 教 授 相似模拟试验系统 全息数码 丫 V 试验初始化 沏.量 系统 、 } 令位移 , 应力应 变 , 厄二卜二丁 以I n , 匕/半毛 a g e 、 析 I m毛 分 图像 系统 数据挖掘分析系统 O r i g i n L ab /M at L ab /A N N 介过质程损统计伤演规化律 非线性预测预报 图 1 过程监 控 系统 结构 F i g . l T b e s t r u e t u er o f P or e e s s i n s p e e t i o n s y s t e m 数据方式保存 的 , 所 以可 以 同时保 留各种类 型 的其他数据 . ( 5 )数据挖掘分析系统 . 本 系统主要将传 统 统计方法 、 人工智能技术 、 神经网 络技术等形成 新 的 数据分析系统— 数据挖 掘 , 该 软件系统 由 O r iig nL a b 系统 、 M atL ab 系统 、 数值模 拟软件 和 A N N (人工神经 网络 )集 成组成 「2] . o ir ig nL ab 是数据分析和 绘图软件 , 其包括两 大功能 : 数据 挖掘和 绘图 . M at L ab 由矩阵软件工具包逐渐发 展成为集通 用科学计算 、 图形 交互 、 系统控制和 程序设计于 一体 的软件 . A N N 是人工神经 网络 软件系统 , 可 模拟人 的 大脑 思 维模式 , 进行统 * 国家 自然科学基金 资助课题( No 5 0 0 74 O02 )和陕西 省岩层 控制重点 实验室 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 03. 043
·232 北京科技大学学报 2002年第3期 计、推断与优化.各软件模块之间留有调用接 方式，选择了有代表性运输巷进行相似模拟试 口，以实现数据共享 验.试验研究的基础是：岩芯钻探资料或煤层综 (6)耦合监测.在声发射信息监测的基础上， 合柱状图以及现场勘察的巷道的工程地质资料 通过信号的识别和检测、声发射参数的提取、声 和数据.模型材料为河砂、煤尘、石膏、碳酸钙按 发射源的位置反演，为开采或采空区环境灾害 配比混合后加水搅拌均匀装入模型架，不同岩 监测提供声发射源实时追踪定位技术.声发射 层的复合界面分层材料为云母.试验全景见图 源实时追踪定位技术系统由声发射监测系统、 2(a)和(b) 声发射信号处理与提取、声发射源定位反演3 2.2试验方法和试验过程数码描述 部分组成.采用现代先进的监测设备和计算机 试验主要分析复合岩体巷道围岩的变形与 技术，对采空区复合支护材料的水平位移和垂 开采裂隙系统演化与充填过程规律；试验过程 直位移实现非接触式、全天候、全自动的监测间. 中不断在岩层上方加载，并间隔一定时间（间隔 30~60min),若出现裂隙或岩层即将垮落，则加 2工程应用 载间隔时间加长，并不断观测百分表的数值，若 2.1试验分析与设计 不再变化，则进一步加载，直到巷道全部垮落或 为了选择技术上合理、经济上可行的支护 巷道完全被岩石塞满为止.如图3是根据试验 左帮 右帮 (a)相似模拟实验系统装置 (b)相似模拟实验标志点布置 图2巷道二维相似模拟实验系统装置 Fig.2 Two-dimensional simulative experiment equipment 0.4(a)巷道左右帮变形与加载关系 0.3 2.0(b)巷道顶、底板变形与加我关系 0.00 0.3 0.2 0.1 1.0 0.10 0.0 0.5 0. 0.0 0.2 0.0 0. -。-左帮变形值 0.3 0.5 0.30 一·一顶板变形值 0.2 一·一右帮变形值 0.4 -1.0 ●一底板变形值 0.40 0.5(⊙)左、右帮相对、绝对变形与加载关系 7.0 2.0(@)顶底板相对、绝对变形与加载关系 20 0.4 6.0 15 0.3 5.0 16 4.0 1.0 12 3.0 0.5 0.0 2.0 0.0 0.1 1.0 -。一左右帮相对变形值 0.5 0.0 一·一顶底板相对变形值 0.2 左右帮绝对变形值 一·一顶底板绝对变形值 0 -1.0 -1.0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 加载时间序列 加载时间序列 图3变形值与加载时间序列关系曲线 Fig.3 The curve of deformation vs loading time serial
Vol.24 石平五等：非线性坚硬岩石复合材料支护巷道破坏规律的实验系统研制与应用 ·233· 过程采集到主要数据信息，图3(a),b),(c),(d所 乎感觉不到变化，巷道帮部及顶部也未出现来 示为随加载时间一位移演化关系. 压现象.巷道非稳态变形阶段的特征是顶底板 从图3(a)列出的巷道左右帮变形与加载时 的变形量大于两帮的变形量且随时间的延长， 间演化关系来看，巷道右帮变形量较小，而左帮 这种差别越加明显.在加载至第12次时，底板 变形量较大，这是由于导变形支架安装的缘故， 右部发生片帮，在第42次加载阶段，为非均匀 右帮变形不能完全反映变形量，但可以反映两 变形阶段（图4(a).第2阶段为巷道破坏发展阶 帮移近量；顶底板变形则可见图3b);图3（©）给 段.在此阶段内巷道发生片帮、岩石冒落.加载 出的试验巷道左、右两帮相对、绝对变形与加载 第12次至第20次为破坏阶段，至第20次时，巷 时间的演化关系；图3(d列示的是巷道顶、底板 道已经发生破坏，顶底板移近量为0.68m,两帮 的相对与绝对变形量分别与加载时间的演化关 移近量为0.21m(图4b).第3阶段为再变形和 系.从图4分析可以发现如下规律：试验过程 后破坏阶段，在此阶段，巷道发生变形、破坏的 中，复合岩体支护巷道矿压现象明显地表现出 反复.此时，巷道一般情况下，都必须进行维护 加载次数与图中曲线的拐点大部分相对应，反 才能进行使用.从试验过程看，加载到第31次 映出矿压显现明显时，变形量增大的的规律.另 时，顶底板移近量接近1m,此时巷道已经很难 外，由于支护材料本身的性质和岩石复合材料 使用（图4(）). 中的夹杂物含量差别，其变形的速度（位移与时 (②)巷道破坏过程中，右帮靠底板侧先塌落， 间关系)是不一样的.这就与支护材料的韧性有 但随之稳定.继续变形，片帮时有发生，但大块 关，增加了支护材料的韧性，就可降低材料的脆 冒落现象不再出现，左帮却因为与岩层倾向方 性，变形时间就会延长，在一定的时间尺度上， 向一致，虽然最后出现大块岩石冒落，但第1层 增加了支护的安全度和可靠性- 冒落完，第2层裂隙接着形成并扩展，继续冒 3试验过程分析及结果 落，顶板与左帮有类似特征，但第2层裂隙的形 成不如左帮明显，在第1层离层岩石塌落后，顶 (1)在整个试验过程中，巷道的变形可以分 板的运动反而不如左帮剧烈.这也从一个方面 为变形阶段、破坏阶段、再变形与后破坏阶段 证明岩层倾角对巷道变形破坏的影响. 第1阶段可又分成2种情况：巷道整体稳态变 (3)从整个试验过程及数据的分析，发现加 形阶段和巷道非稳态变形阶段.巷道整体稳态 载第20次时，巷道破坏，此时顶底板移近量为 变形阶段特征为顶底板、两帮的相对移近量差 0.68m,两帮移近量为0.21m.从巷道的整个受 别不大.如图3(@)，开始时曲线重叠部分，即加 力过程中，可以发现巷道的破坏主要是由于上 载第1次.在此阶段，巷道变形用肉眼观测，几 方岩层施加的力引起的，在破坏过程中，左帮的 (a)右帮垮落 (b)右帮变形严重、标志点斜向位移 (©)右帮变形垮落，巷道被填充 (d)巷道最后的垮落形状 图4巷道模拟变形状况 Fig.4 The condition of simulative experiment deformation in roadway
·234 北京科技大学学报 2002年第3期 矿压显现最为明显，顶板次之，右帮的破坏相对 参考文献 要缓和些，最终的变形状态如图4()所示. 1 Cai Meifeng,Lai Xingping.Evaluation on Stability of 4结论 Stope Structure Based on the Nonlinear Dynamics of Coupling Artificial Neural Network[J].Journal of Univer- 通过简单介绍了复合岩体支护巷道破坏规 sity of Science and Technology Beijing,2002,9(1):1 律的试验系统组成及其应用，借助具体的工程 2蔡美峰，来兴平，李长洪，耦合监控在地下主运巷塌 研究项目，采用耦合过程监控分析方法对开采 陷区锚固段应用).北京科技大学学报，2001,23(4)： 293 引起的裂隙演化及变形的时空关系的全过程进 3张建全，要国华综放开采条件下覆岩离层动态发育 行综合分析，对监测信息进行全面统计、推断， 规律[).北京科技大学学报.2001,23(6：492 对采空区稳定性做定量分析，从而对复杂山体 4刘宝琛，廖国华煤矿地表移动的基本规律[M)北京： 下煤层群开采有借鉴作用.同时将试验材料介 中国工业出版杜，1965 质视为非线性复合材料介质，试验结论与现场 5周美立.相似工程学M)北京：机械工业出版社，1998 工程实际很吻合，为现场的工程治理、决策提供 6来兴平，蔡美蜂，软弱层状岩石巷道顶板破坏过程模 拟研究[J.中国矿业，2000(6)：236 理论依据 Research on the Simulative Experiment System and Application to the Damaged Regularity in Composite Rock-mass Roadway SHI Pingwu,LAI Xingping 2,WU Yongping 1)Xi'an University of Science Technology,Shan'xi Strata Control Key Lab.Xi'an 710054,China 2)Civil and Environmental Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The research concentrates mainly on the structure and function of simulative experiment sys- tem and its appliction.The crack development of failure process in composite rock-mass material and statis- tical regularity including the stress,displacement,time and space each other through mining simulative experi- ment can be inferred from the process inspection in-formation.It is a vitally fundamental research to analyze the strata control due to the muti-coal seams mining under the complicated rock mountain and building. KEY WORDS nonlinear;composite rock-mass;process inspection;coupled inferring
一 2 4 3 . 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 2 0 02 3 矿压显现最为 明显 , 顶板次之 , 右帮 的破坏相对 要缓和 些 , 最终 的变形状态如 图 4 (d) 所示 . 4 结论 通过简单介绍 了复合岩体支护巷道破坏规 律 的试验 系统组成及其应 用 , 借助具 体 的工程 研究项 目 , 采用藕合 过程监控分 析方法对 开采 引起 的裂隙演化及 变形的时空关 系的全过程进 行综合分 析 , 对监测信 息进行全 面统 计 、 推 断 , 对采 空 区 稳定性做定 量分析 , 从 而对复杂 山体 下煤层群 开采有借鉴作 用 . 同时将 试验材料介 质视 为非 线性复合材料介 质 , 试 验结论与 现场 工程实际很吻合 , 为现场 的工程治理 、 决策提供 理论依 据 . 参 考 文 献 1 C a i M e i fe gn , L a i X in gP i n g . E v a luat i o n o n S abt il iyt o f S t o P e S trU c ot er B a s e d on t h e N o n li n e ar D y n am i e s o f C o uP li n g A rt i if e i a l N e ur a l N e wt o kr [J ] . J o unr a l o f nU i v e -r s iyt o f s c i e nc e an d eT e lm o l o gy B e ij i ng , 2 0 0 2 , 9 ( l ) : l 2 蔡美峰 , 来 兴平 , 李长 洪 . 祸合监控 在地下 主运 巷塌 陷区锚固段应 用 [J] . 北京 科技 大学 学报 , 2 0 01 , 23 (4 :) 2 9 3 3 张建全 , 廖 国华 . 综放开采条件下搜 岩离 层动态 发育 规 律 [J] . 北 京科技大 学学 报 2 001 , 23 (6) : 492 4 刘 宝深 ,廖国华 . 煤矿地 表移 动 的基本 规律 【M l . 北京 : 中国工业 出版社 , 1% 5 5 周 美立 . 相 似工 程学 「M ] . 北 京 :机械工 业 出版社 , 199 8 6 来兴平 , 蔡美峰 , 软弱层 状岩 石巷道顶 板破 坏过程模 拟 研究 [J ] . 中国矿业 , 2 0 0 0 ( 6 ) : 2 3 6 R e s e ar e h o n ht e S im u l at iV e E xP e r im e n t S y s t e m an d AP P li e a t i o n t o t h e D am a g e d R e g u l ar i yt i n C o m P o s it e R o e k 一 m a s s R o a dw ay 况醚Z尸王刀 g w 矿气 LA I Xi 刀g刀切9 1 ,)z 砰 U oY n g刀艺刀 9 1, l ) X i , an U n l v esr iyt o f s e ien e e & eT e hn o l o gy, Sh an ,x i s t r a t a C o ntr o l K e y L ab . X i , an 7 1 0 0 54 , C h in a 2 ) C i v i l an d nE v ionmr e n t a l E n g ine e r l n g S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij 吨 10 00 8 3 , Ch in a A B S T R A C T hT e r e s e ar e h e o n c e ntr at e s m a i n l y o n ht e s tr u c trU e an d fu n e t i o n o f s i mu l at i v e e xP e ir m e nt s y s - t e m an d it s a PP li c t i o n . T h e e r ac k d e v e l o Pm e in o f af ilur e P r o e e s s in e o m Po s it e or e -k m a s s m at e ir a l a n d s at i s - t i c a l r e g u lar ity in e l u d i n g t h e s tr e s s , d i sP lac em e n t , t im e an d sP ac e e a c h o t h e r htr o u g h m i n i n g s im u l at i v e e xP e ir - m e nt e an b e in fe er d for m ht e Pr o e e s s i n s P e e t ion in 一 fo mr at ion . It 1 5 a v i at l ly if lll da m e n t a l er s e acr h t o an a ly z e ht e s t r a t a e o ntr o l du e t o ht e m u t l 一 e o a l s e am s m in ign un d e r ht e e o m Pli c at e d r o e k m o u n t a in an d b u ild i n g . K E Y W O R D S n o n lin e ar : e o m Po s it e r o c k 一 m a s s: P r o c e s s i n sP e e t i on : e o lPJ l e d i n fe r i n g