多场耦合作用下深部巷道围岩变形规律数值模拟研究

摘要

煤炭资源进入深部开采阶段，地质条件恶化，地应力、地温梯度和孔隙水压力明显升高，单纯考虑高地应力作用已经不能合理的解释巷道围岩的变形和破坏特征，还必须综合考虑多场的耦合作用。本文采用有限差分软件FLAC3D对深部巷道围岩在多场耦合作用下的变形和破坏特征进行数值模拟，为深部巷道围岩稳定性分析和施工设计提供参考依据，主要工作与研究成果如下：
　　（1）对深部巷道围岩温度场分布规律进行数值模拟，得到了巷道开挖后围岩温度场随时间变化规律；在此基础上讨论了围岩温度场分布规律的影响因素，得出：风流温度对其影响程度最大，其次是巷道半径，最后是断面形状。
　　（2）对热力耦合作用下深部巷道围岩变形规律进行数值模拟，得出：与不考虑温度情况相比，热力耦合作用下巷道开挖无支护时，围岩应力影响范围、位移和塑性区体积均有所增加，支护后锚杆和锚索轴力均有所增大，最大值达到10.9kN。热应力表现为拉应力，使得巷道壁面处拉伸破坏单元数量增加。巷道围岩温度与风流温度差值越大，围岩产生的拉应力、位移及塑性分布范围也越大。
　　（3）对流固耦合作用下深部巷道围岩变形规律进行数值模拟，得出：随着初始孔隙水压力增大，围岩松动区、变形及塑性区的分布范围也有所增大。当初始孔隙水压力较小时，增加趋势较缓，反之，则急剧增加。支护结构通过改变应力场进而影响了应力场与渗流场的耦合作用过程。
　　（4）对三场耦合作用下深部巷道围岩变形规律进行数值模拟，并采用非完全耦合方式分析得出：三场耦合效果表现为高地应力、高温度梯度和高渗透水压最终以应力改变的形式作用在围岩上，使得围岩应力影响范围、位移和塑性区范围均有较大增加。

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1 绪论

1.1 选题依据

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与技术路线

2 深部巷道围岩温度分布规律数值模拟研究

2.1 巷道围岩传热分析

2.2 FLAC3D简介

2.3 模型的建立

2.4 模拟结果及分析

2.5 本章小结

3 热力耦合作用下深部巷道围岩变形规律分析

3.1 深部巷道围岩温度应力分布

3.2 FLAC3D中温度耦合分析理论

3.3 模型的建立

3.4 模拟结果及分析

3.5 本章小结

4 流固耦合作用下深部巷道围岩变形规律分析

4.1 FLAC3D中流固耦合分析理论

4.2 模型的建立

4.3 模拟结果及分析

4.4 本章小结

5 三场耦合作用下深部巷道围岩变形规律分析

5.1 模型的建立

5.2 模拟结果及分析

5.3 耦合机理分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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