富水深埋TBM斜井围岩卸荷特性研究

摘要

由于浅部矿产储量越来越少，国家与政府对深部矿床开采越来越重视，特别是煤炭深部资源和开采问题的研究上，得到了极大的关注。随着煤炭开采深度的加大，对煤矿斜井掘进的技术要求也越来越高，由于TBM法相对于传统的施工方法，在安全、进度、质量、效益等多方面显现优势，在长距离斜井施工中引进TBM技术，是煤炭深部资源开采发展的必然趋势，对于我国煤矿建井技术是一场革命，为煤矿安全、高效生产具有极其重要的社会、经济、现实意义。TBM法用于富水、深埋、大坡度的煤矿斜井施工，技术要求复杂，为煤矿的建设带来了新的问题，另外，由于斜井开挖的卸荷效应和地下水渗流的影响，TBM斜井施工时围岩的力学特性又变得更加复杂。论文针对TBM斜井建设中亟需解决的富水、大坡度条件下的洞室围岩力学问题，以国家重点基础研究发展计划973课题“深部复合地层TBM破岩机理及可掘性评价方法”(2014CB046903)为依托、以某矿区 TBM斜井工程为背景和主要研究对象，采用试验、理论和数值分析相结合的研究方法，对卸荷效应和地下水渗流影响下的TBM斜井围岩的力学特性进行了研究。主要研究内容如下：
　　①通过斜井围岩岩石的基本力学试验，确定TBM工程研究段的力学参数，并基于Hoek-Brown准则，引入损伤变量推导岩石卸荷本构模型。同时，在TBM斜井工程围岩力学参数等相关资料基础上，利用数值软件FLAC3D和数理统计软件SPSS，基于卸荷岩体理论，对斜井围岩卸荷参数进行反演分析，找出岩石卸荷率与围岩弹性模量间的变化规律。
　　②利用洞室几何尺寸考虑斜井坡度的影响，推导了基于复变函数理论的斜井围岩应力和位移的理论解，另外，通过应力边界条件的转化建立了基于极坐标系下的斜井围岩应力和位移的另一种理论解，从而求得洞室拱顶和拱腰处的变形、应力和应力集中系数；将两种理论解得到的结果应用于TBM斜井工程，与数值分析得到的应力和位移进行对比，验证了理论解的合理性，并讨论了斜井应力和位移随斜井坡度及侧压力系数变化的规律。
　　③利用有限差分软件FLAC3D，并通过FISH语言编写卸荷、应力释放和后处理函数，建立了TBM斜井数值模型分析洞室开挖卸荷模拟方法和TBM斜井施工动态模拟过程。分别对考虑卸荷和非卸荷条件下的工况进行数值分析，研究对比两种工况下的位移、应力和塑性区分布。
　　④考虑地下水渗流作用，以流固耦合数值计算理论为基础，对富水TBM斜井施工进行三维流固耦合数值模拟研究。对比分析斜井和平洞围岩的力学行为特性，研究富水条件下坡度的影响，并分别分析渗流控制因素（地下水位、孔隙率和渗透系数）的变化对TBM斜井围岩变形、应力、塑性区分布和渗流场分布的影响。
　　⑤基于卸荷效应和流固耦合效应，对富水TBM斜井动态施工进行数值分析，研究了围岩变形、应力、塑性区、卸荷区及渗流场分布随施工进度的演化规律；研究了TBM斜井掘进过程中侧压力系数、斜井坡度、洞室直径、注浆时间和开挖面的支护应力比对斜井围岩稳定性的影响，分析这些因素下洞室围岩的位移、应力、塑性分布和卸荷区域分布在TBM掘进中的动态和静态规律；在斜井围岩稳定性影响因素研究基础上，对TBM掘进速率、管片支护时机及锚杆支护等变形常规控制措施进行优化研究。
　　⑥以VB.NET为平台对FLAC3D进行二次开发，结合斜井二维的理论计算，将三维数值计算和理论计算集成一体，建立了TBM斜井围岩稳定性智能分析交互系统，并对系统进行简易说明和工程实例应用。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及方法路线

2 TBM斜井的岩石力学试验与卸荷参数反演分析

2.1 引言

2.2 TBM斜井工程特征分析

2.3 岩石力学特性试验及基于霍克-布朗准则的卸荷损伤本构

2.4 岩石卸荷参数反演分析

2.5 小结

3 一般条件下斜井围岩变形理论解与数值解

3.1 引言

3.2 基于复变函数的斜井围岩弹塑性解

3.3 基于极坐标的斜井围岩弹塑性解

3.4实例计算

3.5基于卸荷效应的数值计算流程分析

3.6 卸荷与非卸荷效应下TBM斜井数值分析

3.7 小结

4 富水TBM斜井的渗流-应力耦合效应分析

4.1 引言

4.2 流固耦合数值计算理论

4.3 渗流场作用下平洞与斜井的围岩力学特性对比

4.4 TBM斜井掘进中渗流控制参数研究

4.5 小结

5 卸荷和渗流复合条件下TBM斜井围岩力学特性研究

5.1 引言

5.2 卸荷和渗流复合条件下的TBM斜井围岩力学行为特性

5.3 围岩稳定性影响因素分析

5.4 变形控制措施分析

5.5小结

6 TBM斜井围岩稳定性智能分析交互系统

6.1 引言

6.2 系统说明

6.3 工程实例

6.4 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目