软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

数字孪生驱动的掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法研究

掘锚自动化作业是煤矿巷道智能掘进的关键,针对当前掘锚设备交替作业过程中相对位姿测量和碰撞检测难题,提出一种数字孪生驱动的煤矿井下掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法。首先,为克服井下掘进工作面低照度、高粉尘、复杂背景干扰的影响,以多点红外LED标靶作为信息源,通过工业相机采集红外LED特征点图像,利用Hough轮廓检测与质心法提取光斑中心并通过二进制编码识别标靶ID,采用改进稀疏光流算法对光斑进行跟踪,同时建立基于PNP的掘锚设备位姿解算模型,采用对偶四元数获得设备间相对位姿。其次,利用数字孪生技术,基于Unity3D平台建立对应实际尺寸的掘锚设备及工作面数字孪生模型,利用Socket通信方式实现虚拟空间与物理实体之间的实时数据传输与交互,在虚拟空间中实现掘锚设备实时位姿的三维可视化,结合任意多边形OBB(orientedboundingbox)碰撞检测算法,实现掘锚设备虚拟碰撞检测。最后,搭建实验平台进行掘锚设备位姿测量试验,同时对虚实运动轨迹和碰撞检测效果进行验证。实验结果表明:掘锚设备跟踪定位实验的位置误差不超过20mm,角度误差不超过0.30°;虚实位置坐标对比中X轴方向最大误差不超过1.14mm;Y轴方向最大误差不超过1.10mm,能够保证系统虚实一致性和同步性,满足掘进工作面作业过程中掘锚设备实时跟踪定位及碰撞检测的要求。

一种基于多尺度的目标检测锚点构造方法

目标检测是计算机视觉领域的研究热点和基础任务,其中基于锚点(Anchor)的目标检测已在众多领域得到广泛应用。当前锚点选取方法主要面临两个问题:基于特定数据集的先验取值尺寸固定、面对不同场景泛化能力弱。计算锚框的无监督K-means算法,受初始值影响较大,对目标尺寸较单一的数据集聚类产生的锚点差异较小,无法充分体现网络多尺度输出的特点。针对上述问题,本文提出一种基于多尺度的目标检测锚点构造方法(multi-scale-anchor,MSA),将聚类产生的锚点根据数据集本身的特性进行尺度的缩放和拉伸,优化的锚点即保留原数据集的特点也体现了模型多尺度的优势。另外,本方法应用在训练的预处理阶段,不增加模型推理时间。最后,选取单阶段主流算法YOLO(You Only Look Once),在多个不同场景的红外或工业场景数据集上进行丰富的实验。结果表明,多尺度锚点优化方法MSA能显著提高小样本场景的检测精度。

带线锚钉+空心钉内固定治疗髌骨骨折的疗效

目的探讨带线锚钉+空心钉内固定治疗髌骨骨折的疗效。方法将60例髌骨骨折患者按照内固定方式不同分为观察组(采用带线锚钉+空心钉内固定治疗,30例)和对照组(采用克氏针张力带+钢丝捆扎内固定治疗,30例)。记录两组手术时间、骨折愈合情况、术后并发症发生率。采用Lysholm评分评价膝关节功能。结果患者均获得随访,观察组随访时间12~36(17.47±6.17)个月,对照组随访时间12~30(17.70±4.06)个月。手术时间观察组短于对照组(P<0.01)。两组骨痂形成时间2~3个月,骨折愈合时间4~6个月。术后并发症发生率观察组低于对照组(P<0.05)。末次随访时Lysholm评分评价的膝关节功能优良率两组比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论带线锚钉+空心钉内固定治疗髌骨骨折能有效缩短手术时间、降低手术难度、减少术后并发症的发生,而且内固定稳定、牢靠,患者术后膝关节功能恢复良好。

基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法研究

煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提。与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用。针对目前煤矿井下掘进工作面掘锚装备视觉定位方法存在的合作标靶结构复杂、标定繁琐的问题,结合掘进工作面原有激光指向仪特征,提出一种基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法。该方法通过分析激光指向仪光斑及光束图像特征,提出了一种基于二维反正切函数拟合的激光光斑中心提取方法和基于Hough直线检测的激光束中心线提取方法,构建了基于点线特征的双目视觉位姿解算模型,得出了掘锚装备在巷道中的实时位姿。最后,为了验证提出的特征提取方法和视觉定位方法的可行性和准确性,在实验室模拟掘进工作面工况环境搭建平台进行了试验。结果表明:基于矿用激光指向仪信息的掘锚装备视觉定位方法具有较高的位姿测量精度。在50 m的测试范围内,机身位置在巷道坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的平均测量误差分别为25.44、58.64、31.08 mm,其最大误差分别为55.16、127.39、63.57 mm;机身姿态在巷道坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角的平均测量误差分别为0.22°、0.22°、0.41°,其最大误差分别为0.29°、0.37°、0.58°。满足煤矿井下巷道施工的定位精度要求。

基于深度学习的无锚框目标检测算法综述

近年来,基于深度学习的无锚框目标检测算法备受关注。为了深入理解无锚框检测算法,对比分析了基于深度学习的无锚框检测算法的原理机制、网络结构、核心特性以及优缺点,归纳总结了无锚框检测算法的核心技术,并在同一数据集上通过性能实验研究上述算法的性能,总结提出基于深度学习的目标检测算法未来的研究方向。

考虑锚节点位置不确定的水下目标定位算法研究

考虑时钟异步和声波分层效应的影响,该文研究了当测量过程受到未知噪声干扰,且锚节点位置不确定时水下目标节点的定位问题。首先构造了水下节点间飞行时间模型,设计了一种交互式异步通信协议,建立了最小化定位误差的优化目标函数。然后提出了一种基于深度强化学习的水下目标定位算法,并采用层归一化来改进深度神经网络,进一步提高模型的泛化能力。最后,仿真和实验结果验证所提方法的有效性。

地缘政治风险与人民币货币锚效应——基于“一带一路”合作国家和地区的实证分析

防范化解地缘政治风险,保持人民币币值的相对稳定,对稳慎推进人民币国际化具有重大意义。通过分析2015年8月至2022年7月“一带一路”合作国家和地区56种货币的汇率月频数据,探究了不同区域的货币锚定人民币的程度,并进一步基于Frankel经典货币锚模型测度了地缘政治风险对人民币货币锚效应的影响。实证结果表明:第一,美元虽仍是大部分地区的锚定货币,但人民币已逐步成长为东欧、东南欧、东南亚和东亚地区钉住的货币锚。第二,地缘政治风险能够显著影响人民币在部分地区的货币锚效应,但是在不同区域和不同贸易开放度的情况下具有显著的异质性。当地缘政治风险上升时,东欧和东南欧地区会更多地锚定人民币以规避汇率风险,而东南亚和东亚地区却会选择降低锚定人民币的权重以寻求汇率稳定;高贸易开放度的国家会更多地锚定人民币,低贸易开放度的国家更可能会减少锚定人民币。研究结果为稳慎推进人民币国际化和精准实施人民币国际化的国别策略提供了参考依据。

航道区碎石层对霍尔锚落锚条件下海底管道防护效果研究

航道中船舶抛锚作业使海底管道可能受意外撞击,造成管道局部损伤甚至失效,进而对油气生产安全和生态环境等造成重大危害。采用碎石层防护是航道区等海域海底管道最常用的防护手段。首先基于大比尺落锚模型试验,观测了霍尔锚下落贯入碎石的3个阶段及其贯入过程中管道的应力应变状态。通过建立光滑粒子流体动力学法(SPH)和有限元法(FEM)耦合的数值模型,针对实际不同吨位通航船舶常用的霍尔锚,研究了其贯入碎石层深度及埋设管道受力和凹陷变形规律。最后分析了不同锚质量、碎石层形状和厚度等因素下埋设管道的响应规律。结果表明:采用暗埋式碎石防护层有利于撞击能量吸收,能更好地防护海底管道受损;且采用3m以上碎石防护层能有效保护海底管道抵抗各类实际常见霍尔锚的撞击损伤。

霍尔锚落锚对水下沉箱位移影响数值分析

应用沉箱保护水下生产系统时,海底管线和沉箱间跨接管与沉箱内部的管汇采用的往往是刚性连接,一旦沉箱基础位移超过设计允许值将会使管汇与外部管缆变形不协调,严重时将导致管线断裂并发生漏油等重大工程事故。通过耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法采用ABAQUS有限元软件建立霍尔锚紧急落锚对水下沉箱位移影响的计算模型,在与模型试验结果对比验证数值模型可靠性的基础上,模拟了贯入速度区间为6~22m/s、落锚间距为1~5倍锚长的102组不同工况下船舶落锚过程对水下沉箱位移的影响。结果表明,水下沉箱位移随锚贯入速度的增大而增大,随落锚距离增大而减小。根据数值计算结果和影响因素分析,提出了水下沉箱位移的预测方法和不同贯入速度下安全落锚距离的计算表达式。

BIM技术在混合梁斜拉桥钢锚梁中的应用研究

本文依托一座大跨径混合梁斜拉桥,基于BIM建模软件Rhino对混合梁斜拉桥钢锚梁的正向设计、施工全过程开展精细化安装和参数化的应用研究。结果表明,BIM建模软件Rhino参数化建模高效准确,BIM技术在钢锚梁的设计优化、钢厂加工和施工交底等全过程中应用的技术方案可行。本文的研究结果可为大跨径混合梁斜拉桥的设计和施工提供借鉴及参考。

公铁合建钢混板-桁斜拉桥悬挑式钢锚箱受力特性及结构优化

为研究大跨度公铁合建钢混板-桁斜拉桥主梁悬挑式索梁钢锚箱结构的受力特性及结构优化,以主跨808 m的洪奇沥特大桥钢锚箱为背景,采用仿真分析方法,研究钢锚箱3个设计方案主要板件应力、焊缝应力以及推荐方案锚箱节点的传力特性和锚箱参数对钢锚箱受力的影响。结果表明:锚箱尺寸较大、顶底板加肋方案的主要板件应力最大为300 MPa,小于其他2种方案,且6条焊缝的最大应力和应力不均匀系数较优,因此确定该方案为最终设计方案;索力首先由锚垫板直接向钢锚箱顶、底板和内外腹板较为均匀传递,最终边弦杆底板、内腹板和外腹板分别承担了22.2%,46.4%和31.4%的索力;节点处副桁斜杆、近桥塔侧和远桥塔侧边弦杆、混凝土桥面、节点横梁分别传递约66.71%,9.72%,9.32%,9.68%和4.56%的斜拉索竖向分力;板件应力随顶底板厚度增加而减小,顶底板深入边弦杆长度增加可以降低底板-内腹板焊缝峰值应力,顶底板间距减小可降低内外腹板和顶底板与锚垫板接触区域应力;顶底板厚44 mm、锚箱顶底板深入边弦杆长度1800 mm、顶底板间距660 mm时较为合理。

缝合锚钉经内踝修复三角韧带深层损伤

背景:踝关节骨折合并三角韧带损伤在临床上较为常见,骨折内固定一期修复三角韧带逐渐成为主流治疗方法,明显降低了踝关节远期并发症的发生。近年来在三角韧带解剖结构特征和动态生物力学研究领域取得新进展,使三角韧带深层损伤修复技术有了较大提高,但仍存在争议。目的:探讨缝合锚钉技术与经内踝修复踝关节骨折合并三角韧带深层损伤的临床疗效。方法:选择中南大学湘雅医学院附属海口医院2017年1月至2022年1月收治的踝关节骨折合并三角韧带深浅层完全断裂的56例患者,依据带线锚钉修复三角韧带深层的方式不同分为2组,其中缝合锚钉修复组32例,经内踝修复组24例。对两组患者手术治疗前后的踝关节内侧间隙、美国矫形外科足踝协会评分进行评定。结果与结论:①56例患者均顺利完成手术并获得术后12个月以上随访,踝部骨折均愈合,骨折愈合时间8-12周,平均10.5周;②两组患者术后12个月踝关节内侧间隙较术前显著缩小,差异有显著性意义(P<0.001);术后12个月,两组踝关节内侧间隙维持在正常范围,组间对比差异无显著性意义(P>0.05);③术后6,12个月,两组患者美国矫形外科足踝协会评分较术前显著升高(P<0.001),相应时间点,两组美国矫形外科足踝协会评分相比差异均无显著性意义(P>0.05);④提示缝合锚钉技术与经内踝修复三角韧带深层损伤均能恢复踝关节内侧间隙、有效维持踝穴的稳定性,获得良好的临床疗效。

粘土中吸力锚基础的抗扭承载特性研究

文章对粘土中的吸力锚基础承受水平与扭矩组合荷载、垂直与扭矩组合荷载的性能展开了研究。首先通过数值模拟试验,验证了有限元模型的合理性。基于有限元建立了长径比为1的吸力锚基础模型,研究了水平荷载、竖直荷载和扭矩荷载组合作用下的吸力锚基础承载特性。结果表明:在扭矩荷载的作用下,吸力锚基础的水平和竖直承载性能均显著降低,随着水平荷载作用点的下降,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现出先增大后减小的趋势;在水平-竖直-扭矩荷载三者组合作用的情况下,随着扭矩荷载的增大,吸力锚极限承载力的下降趋势显著增大,随着荷载方向与水平面夹角增大,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现增大趋势。

双锚片螺旋锚倾斜拉拔承载特性与承载力计算方法研究

目前对多锚片螺旋锚倾斜拉拔承载特性机制的认识尚不全面,承载力计算方法也还不成熟。采用自制模型试验装置开展了双锚片螺旋锚的多角度倾斜拉拔模型试验,分析了荷载倾角、埋深比对荷载−位移曲线和抗拔承载力因子的影响规律。通过量化水平向和竖向的控制程度分析了两个方向的耦合效应;基于数值模拟标定了锚片间距和荷载倾角对锚片上土压力的影响,提出了锚片上土压力影响系数计算方法,引入考虑位移影响的土压力近似计算方法和p-y曲线法,构建了双锚片螺旋锚倾斜拉拔力学模型,提出了双锚片螺旋锚倾斜拉拔承载力计算方法和相应步骤,并在3个试验案例的计算中取得了较好的效果。所提模型和计算方法的研究思路可推广至其他多锚片的情况,但螺旋锚需满足属于刚性短桩的前提条件。

局部超挖或超载作用下桩锚支护基坑连续垮塌试验研究

超挖或超载导致的基坑垮塌事故时有发生,然而局部超挖超载情况下基坑连续垮塌的全过程演化机理仍缺乏深入研究,限制了对此类基坑事故的针对性预防和控制。依托两起基坑垮塌案例,设计了桩锚支护基坑连续破坏模型试验,研究了局部超挖或超载对单道锚杆支护结构变形、土压力、锚杆轴力、支护桩及冠梁内力等的影响。结果表明,基坑局部超挖后,基坑外产生的土拱效应和冠梁荷载传递效应将导致邻近区域支护桩和锚杆内力大幅上升,此情况下超挖区内锚杆局部失效将进一步加剧这两个效应,引发邻近未失效锚杆连续破坏。支护桩嵌固深度较小时,锚杆失效后桩身弯矩始终减小,最终由于桩顶缺少约束而发生倾覆破坏;相反,当嵌固深度较大时,被动区土体对支护桩约束作用较强,最终支护桩的弯矩绝对值将显著提高,更可能发生弯曲破坏导致基坑垮塌。基坑正常开挖深度越大,超挖及锚杆失效产生的土拱效应越强,触发锚杆连续破坏所需的初始破坏锚杆越少,抗连续破坏能力越弱,应考虑局部加强锚杆,将局部破坏限制在一定范围。基坑顶部超载量过大将导致锚杆自超载范围中心向远端依次失效,进而引发基坑垮塌。锚杆设置高度不同,触发锚杆连续破坏的超载量不同,连续破坏路径和为应对潜在的超载风险需重点验算的构件也可能不同。锚杆设置在腰梁上时,超载情况下,锚杆的荷载传递系数大于支护桩,需优先考虑对锚杆进行局部加强设计;锚杆设置冠梁上时,触发锚杆连续破坏所需的超载量较腰梁工况更大,超载情况下,支护桩的荷载传递系数大于锚杆,应优先对支护桩考虑附加荷载作用进行设计。

惯质黏性阻尼器对悬索桥隧道锚减振的影响

为研究隧道锚(tunnel-type anchor,简称TTA)锚岩接触面对动荷载影响的敏感性,寻求一种适用于散索鞍至锚碇缆索处的减振装置。首先,利用有限差分软件建立隧道锚数值模型,监测并分析锚岩接触面共9个测点的速度位移响应;其次,利用滚珠丝杠构件的位移转换放大原理,提出一种适用于前锚室处的惯质黏性阻尼器;最后,利用能量耗散守恒方法,模拟并检验安装该阻尼器后隧道锚的减振效果。结果表明:在动荷载作用下,锚塞体两底角部位测点响应明显大于顶部测点,中部锚岩接触面位移增长较前部与后部更为迅速;隧道锚受低幅值动荷载影响更为明显,动力系数约为1.3,随着荷载幅值的增加,动荷载对于隧道锚的影响会减弱;振动前期较为剧烈,加载0~1 s内剪应变增量增幅明显,后期增量基本不变;设置阻尼器后,锚岩接触面速度位移响应减小,位移减小幅度接近20%,速度响应在1 s内基本衰减至0;阻尼器的减振效果与荷载幅值有关,锚塞体处于中低载荷时,设置阻尼器所带来的减振效果最好,减小效果可以达到24%。

带锚板预应力螺纹钢筋抗拔性能试验研究

目的为了探讨直径25 mm、强度等级PSB1080的带锚板预应力螺纹钢筋在有效锚固长150,200,250 mm的钢筋混凝土厚板或基础中拔出时的锚固性能,方法以有效锚固长度、套管有无、锚板宽度和构造钢筋数量为试验参数,对7个试件进行抗拔性能试验研究。研究试件的破坏特征,分析荷载-位移曲线、极限抗拔承载力、试件开裂荷载和荷载-应变曲线。结果结果表明:试件抗拔承载力随着锚固长度的增加而增加,当有效锚固长度为250 mm时,预应力螺纹钢筋均能达到屈服;混凝土开裂荷载随着有效锚固长度、锚板宽度和套管的增设而增加,构造钢筋数量对面层混凝土开裂荷载的影响并不明显;采用套管试件的面层混凝土开裂荷载比未采用套管试件提高了2.66倍;根据荷载-位移曲线可知,在锚板上增设构造钢筋可以防止带锚板预应力螺纹钢筋拔出时承载力急剧下降;基于试验结果和相关文献结果,对比锚固区混凝土锥体破坏试件的试验值与计算值可知,Nilforoush建议式和日本JSCE规范式9.2.11分别比试验值低19%和10%。结论增设套管可以有效提高开裂荷载;使用日本JSCE规范式9.2.11计算抗拔承载力更接近试验值。

考虑不同破坏形式下隧道锚承载力及破坏阶段研究

现有研究多以锚岩接触面出现塑性区域或应力峰值点转移作为达到极限状态的判别标准,但不同工程地质情况会导致隧道锚(TTA)破裂面线形存在较大差异,很难准确推导出隧道锚的极限承载力.为了进一步探求隧道锚在拉拔荷载下的工作过程,得到更加明确的隧道锚极限承载力的表达形式,采用幂指数函数形式表征倒锥形破坏破裂面的线形,基于Mindlin应力解与峰值剪应力控制理论得到界面破坏应力分布形式,推导了界面破坏与倒锥台破坏形式下的承载能力公式;采用国内5座悬索桥隧道锚承载力进行算例验证,同时分析研究了不同参数对隧道锚极限承载力的影响.研究表明:两种破坏形式下,承载力的主要来源为破裂面的黏结力,占总承载力的50%以上,承载力均随着长度与内聚力的增加而线性增加;承载力随着倾斜角的增加而增加,但增长速度减慢,界面破坏形式下出现先增加后减小的现象.对比以往试验以及数值模拟结果,与该文推导结果基本一致,分析公式计算结果和位移增长曲线,发现隧道锚工作过程明显呈现3个阶段,最终破坏形式为界面破坏和倒锥形破坏两种破坏模式的结合.

隧道式锚碇的承载机理及夹持效应指标分析

为了衡量隧道锚夹持效应发挥作用的大小,本文通过分析隧道锚的承载特性,提出用隧道锚的夹持效应系数和峰值承载力作为夹持效应指标,并利用Mohr-Coulomb准则对二者的表达式进行了推导;对普立特大桥隧道锚进行了有限元分析,通过对其应力、塑性区等指标的分析来计算其夹持效应指标来对其适用性和准确性进行验证;对不同位移状态下的夹持效应系数进行分析,并结合位移、荷载、承载力和夹持效应系数对隧道锚的设计提出建议。研究结果表明:公式计算结果、有限元分析结果及现有研究结果间的误差小于10%,所得公式具有良好的适用性和准确性;在荷载不变的情况下,隧道锚的夹持效应系数随着承载力的减小而呈增大趋势,说明适当降低隧道锚的承载力有助于夹持效应发挥作用,隧道锚也更满足其保护环境、资源节约的特点。研究结果可为隧道锚的设计提供依据。