计算机技术在煤矿巷道支护的应用.pdf

计算机技术在煤矿巷道支护的应用付强(河南工业和信息化职业学院河南 焦作)摘 要:计算机技术在煤矿巷道支护领域的应用日益广泛 本文概述计算机技术的计算原理和方法分析计算机数值模拟技术 和 在巷道围岩和支护结构压力分布中的应用关键词:计算机技术煤矿巷道支护案例监控和管理中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引言科技快速发展计算机技术在各行各业发挥越来越重要的作用 在开采煤矿的过程中巷道支护工程是保证矿山安全生产的重要基础 计算机技术在煤矿巷道支护方面具有巨大的应用潜力通过计算机数值模拟技术可以优化巷道支护设计、降低安全风险、提高煤矿的经济效益 本文探讨计算机技术在煤矿巷道支护中的应用包括计算机数值模拟技术的原理和方法、计算机技术在巷道支护设计和稳定性评价中的应用、计算机技术在巷道支护施工过程中的监控和管理及计算机技术在煤矿巷道支护中的发展趋势和挑战 计算机数值模拟技术的原理和方法.数值模拟技术原理数值模拟技术是一种通过计算机对复杂的物理过程模拟的方法利用数学模型和数值方法对实际问题近似求解 数值模拟技术在煤矿巷道支护中的应用主要表现为模拟巷道开采过程中的岩体应力、变形和破坏等现象以评估巷道的稳定性和优化支护设计 数值模拟技术原理主要包括以下几方面:.建立数学模型数学模型是对实际问题抽象和简化的表达形式在煤矿巷道支护中数学模型包括岩体力学模型、支护结构模型和岩体支护结构相互作用模型这些模型要考虑岩体的力学特性、开挖过程、支护结构的设计参数等因素.离散化数学模型通常包含复杂的数学方程直接求解方程通常比较困难 因此要将数学模型离散化为一系列简单的方程组 常用的离散化方法包括有限元法()、有限差分法()和边界元法()等 离散化过程将连续的物理现象转化为离散的数值问题便于计算机计算.求解通过迭代求解离散化后的方程组得到岩体应力、变形和破坏等参数这些参数可以用于评估巷道的稳定性和优化支护设计 求解时要根据问题的特性选择数值方法和求解器如高斯消元法、牛顿拉夫逊法等.后处理与可视化求解结果通常是一系列离散数值要通过后处理和可视化技术将这些数值转化为直观的图形和图像常用的后处理技术包括插值、平滑、等值线绘制等而可视化技术包括二维和三维图形显示、动画模拟等.验证与优化要通过工程数据验证数值模拟的结果以确保模型的可靠性和准确性 同时要根据验证结果优化数学模型、离散化方法和求解算法以提高模拟精度和效率 在煤矿巷道支护中验证与优化目标是使数值模拟结果尽可能接近工程条件以便为巷道支护设计和施工提供可靠依据.应用与决策支持将经过验证与优化的数值模拟结果应用于煤矿巷道支护为工程师和决策者提供有力支持 数值模拟结果可以用于辅助巷道支护设计、施工过程监控和管理、巷道稳定性评价有助于提高矿山的安全生产水平和经济效益.常用数值模拟方法.有限元法()有限元法是一种将连续的物理现象离散化为有限元素的计算方法 将研究对象划分为许多小的有限元素将连续的微分方程转化为离散的代数方程组 广泛应用于结构力学、流体力学、热传导等领域在煤矿巷道支护中 可以有效模拟岩体与支护结构之间的相互作用评估巷道的稳定性和支护效果优点是适用于复杂形状和非均匀材料的问题具有较高的计算精度能够处理各种边界条件 缺点是计算量较大需要较强的计算能力离散过程可能引入误差对非线性问题的求解较为困难.有限差分法()有限差分法是一种将连续的微分方程转化为离散的差分方程的数值方法 在空间和时间上离散将连续的物理现象转化为离散的数值问题 在地下水流、地质力学等领域有广泛应用 在煤矿巷道支护中 可以用于模拟岩体的应力场、变形场等评估巷道的稳定性 优点是简单易行易于理解和实现适用于规则网格对线性问题求解较为方便 缺点是对复杂形状和非均匀材料的问题适应性较差对高阶导数方程的处理较为复杂精度相对较低.边界元法()边界元法是一种仅在边界上离散的数值方法 将研究对象的体积积分转化为边界积分将三维问题简化为二维问题 适用于弹性力学、电磁学等领域 在煤矿巷道支护中 可以用于模拟巷道开挖对岩体应力场的影响评估巷道的稳定性和支护效果优点是仅需要对边界离散减少了计算量适用于无限区域问题容易处理边界条件易于处理复杂形状问题 缺点是对非线性问题、非均匀材料和非稳态问题求解较为困难需要大量的边界积分计算计算过程较为烦琐 计算机技术在巷道支护设计和稳定性评价中的应用案例.巷道支护设计的优化案例.矿山背景该煤矿位于复杂的地质条件下巷道围岩由砂岩、泥岩和煤层组成 传统的巷道支护设计采用钢支撑与锚杆锚索组合支护但在施工过程中出现了多次巷道破坏事故.拟解决问题如何优化巷道支护设计以提高巷道的稳定性?.解决方案收集现场工程数据:对巷道的地质条件、围岩特性、开挖过程、支护结构参数等开展详细的调查和数据收集建立数学模型:根据现场工程数据建立岩体力学模型、支护结构模型和岩体支护结构相互作用模型使用 进行数值模拟:采用 对巷道开挖过程中的岩体应力、变形和破坏等现象模拟评估原有支护结构的稳定性.优化方案验证经过一段时间监测新的支护结构在提高巷道稳定性的同时 有效减少了巷道的破坏事故 通过 数值模拟技术该煤矿成功优化了巷道支护设计方案提高了巷道稳定性该案例充分体现了计算机技术在巷道支护设计和稳定性评价中的应用.巷道稳定性评价案例.矿山背景该煤矿位于复杂的地质条件下巷道围岩由砂岩、泥岩和煤层组成.拟解决问题为了确保巷道的安全需要评价巷道的稳定性.评价方法在本案例中采用有限元法()评价巷道稳定性并使用 软件进行数值模拟.解决方案收集现场工程数据:对巷道的地质条件、围岩特性、开挖过程、支护结构参数等开展详细的调查和数据收集建立数学模型:根据现场工程数据建立岩体力学模型、支护结构模型和岩体支护结构相互作用模型使用 进行数值模拟:在 中创建岩体和支护结构模型设置材料属性、边界条件和荷载条件 采用适当的单元类型(如四面体单元、六面体单元等)进行网格划分 步骤见表 表 数值模拟步骤步骤描述.创建岩体模型在/中使用 模块创建一个代表岩体的实体并进行网格划分.创建支护结构模型在 模块中创建一个代表支护结构的实体并进行网格划分.设置材料属性在 模块中分别为岩体和支护结构创建材料设置相应的材料参数.设置边界条件和荷载条件在 模块中将岩体和支护结构组装在一起然后在 模块中创建一个静力学或动力学分析步骤 在 模块中设置围岩压力和巷道开挖过程中的荷载条件 在 模块中设置地表位移边界条件.进行分析在 模块中创建一个分析任务并提交运行 .巷道稳定性评价根据 分析结果评价巷道的稳定性 评价指标包括围岩应力分布、围岩变形、支护结构应力和破坏情况等在/中的 模块中查看和分析模拟结果.优化建议发现支护结构的应力超过了允许值考虑增加支护结构的尺寸或材料强度 发现围岩变形过大考虑采用更有效的锚杆支护方法 计算机技术在巷道支护施工过程中的监控和管理.施工过程监控在煤矿巷道支护施工的过程中计算机技术在监控和管理方面发挥重要作用 实时监测系统可用于收集巷道内的应力、位移、温度等关键数据这些数据可以通过传感器实时传输至监控中心方便及时了解巷道稳定状况 监控中心可以对数据实时分析以便在围岩变形或支护结构失效的迹象出现时迅速采取应对措施 基于计算机技术的监控系统可以实现对巷道照明、通风、排水等基础设施的智能管理提高巷道作业的安全性和效率 在施工过程中计算机技术可以协助优化施工方案 例如可以利用计算机辅助设计()软件对支护结构详细设计确保支护结构与巷道围岩的精确匹配 同时计算机技术可以辅助制定合理的施工进度确保施工资源得到高效利用 同时计算机技术可用于辅助施工过的质量控制实时监测数据分析和预警功能可以及时发现施工中的质量问题并采取纠正措施 借助物联网()技术计算机技术可以实现对施工现场的实时远程监控 将传感器安装在关键设备上工程师可以实时了解设备的工作状态为设备维护和故障排除提供依据 此外工程师可以利用无人机()对施工现场定期巡检发现安全隐患 无人机可以搭载高清摄像头和各种传感器实时传输现场图像和数据帮助了解施工现场情况.巷道支护施工管理在煤矿巷道支护施工的过程中计算机技术在管理中 发 挥 至 关 重 要 的 作 用 项 目 管 理 软 件(如、等)可以帮助制定和跟踪施工计划确保施工的进度和质量可以得到有效控制通过项目管理软件可以实施任务分配、资源调度、成本核算和进度监控提高施工管理效率 在物资管理方面计算机技术可以帮助实现对施工现场物资的精确控制 通过计算机的库存管理系统可以实时了解物资的库存情况、出入库记录和供应商信息以确保及时补充物资避免物资浪费 同时基于计算机技术的采购管理系统可以协助实施物资需求预测和采购决策确保物资供应稳定和及时 在人员管理方面计算机技术可以实现对施工现场人员的实时监控和考勤管理 通过安装在现场的摄像头和考勤设备可以实时了解现场出勤情况、工作状态和安全行为 此外计算机技术还可以辅助开展培训和考核提高施工人员的技能和安全意识 总结计算机技术在煤矿巷道支护方面发挥了重要作用为煤矿行业带来了显著的技术进步和经济效益通过计算机数值模拟技术可以了解巷道围岩和支护结构的压力分布开展巷道支护设计和稳定性评价此外计算机技术可以帮助在施工过程中实现对巷道的实时监控和管理提高施工安全性和效率 在煤矿巷道支护设计和稳定性评价方面计算机技术的应用范围不断扩大例如 和 等软件的广泛应用为煤矿的安全生产提供了有力保障 同时计算机技术在巷道支护施工过程监控和管理方面取得了显著成果例如实时监测系统、项目管理软件和物联网技术应用给煤矿施工管理带来了便利 然而计算机技术在煤矿巷道支护领域仍面临一些挑战如模型参数选取的准确性、地质条件的复杂性等 为了充分发挥计算机技术在煤矿巷道支护中的潜力需要不断探索新的模拟方法、优化算法和实时监测技术参考文献:李鸿征赵锋.计算机数值模拟技术在煤矿机械上的应用.煤矿机械():.姚一鸣.基于 的边坡稳定性及预应力锚索支护优化研究.中国水运():.吴兴刚.基于 的某露天矿边坡支护技术研究.资源信息与工程():.祝加欣.基于 软件的某基坑项目边坡稳定性分析.工程技术研究():.董明明.大断面煤矿巷道支护技术在采煤工程中的应用研究.能源与节能():.作者简介:付强()男 河南焦作人 本科 助教 研究方向:安全工程