深厚第四系流砂层竖井井筒稳定性研究

摘要

竖井工程遇到深厚第四系流砂层时容易出现井筒破裂等地质灾害，这种灾害轻者造成井壁变形、渗水，重者造成卡罐、涌水涌沙，甚至停产。因此研究深厚第四系流砂层下竖井的稳定性具有重要的理论意义和实用价值。本文以甘肃省窑泉锰铁铅锌矿探矿竖井为研究对象，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，开展井壁破裂机理、探矿竖井支护方案优选以及井壁安全稳定性研究，主要工作如下:
　　(1)通过对竖井井壁进行弹塑性受力分析，推导出井壁围岩与支护相互作用下井壁弹塑性极限承载力公式。对竖井井壁破裂特征进行分析，得出井壁破裂的外部显现规律及内部破裂面发展规律。对矿方提供的矿区岩层土工试验数据进行工程处理，得到探矿竖井井筒所处地层的相关岩体力学参数。
　　(2)利用Flac3D软件对窑泉矿3号探矿竖井开挖活动进行模拟，与工程实际中3号探矿竖井冒落垮塌事故发生位置及现象进行对比，分析在深厚第四系流砂层下井筒的变形破坏机理。
　　(3)对探矿竖井加固利用进行了可行性分析。利用Flac3D软件对1号探矿竖井各支护方案进行模拟，结合理论计算优选出合理的加固利用方案。采用层次分析法建立了探矿竖井井壁安全稳定性评价指标体系。通过计算各影响因素的权重大小排序，得出几个对井壁安全稳定重要性较大的影响因素并结合模糊综合评价法计算得出各支护方案的优劣度。
　　(4)引入突变理论对井壁稳定性进行探讨。通过建立了井筒径向破坏圆环尖点突变模型，对流沙层井壁所能承受的临界压力进行理论计算，得出井壁的临界压力公式。并代入工程实例验算了优选方案的适用性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究工程背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 深厚第四系覆盖层下竖井破坏研究现状

1．2．2 竖井井筒稳定性研究现状

1．3 研究内容

1．4 研究路线

第二章 竖井井壁受力及破裂特征分析

2．1 竖井井壁受力分析

2．1．1 竖井井壁弹性应力分析

2．1．2 井壁围岩与支护相互作用弹性分析

2．1．3 竖井井壁弹塑性应力分析

2．1．4 井壁围岩与支护相互作用弹塑性分析

2．2 竖井井壁破裂特征分析

2．2．1 竖井井壁破裂外部显现特征分析

2．2．2 竖井井壁破裂力学特征分析

2．3 本章小结

第三章 矿床地质概况及岩石力学参数处理

3．1 窑泉锰铁铅锌矿地质概况

3．1．1 矿区背景情况

3．1．2 矿区工程地质特征

3．1．3 矿区水文地质特征

3．2 矿山开拓系统现状

3．3 岩石物理力学参数的工程处理

3．3．1 岩体抗压强度

3．3．2 岩体抗拉强度

3．3．3 岩体抗剪切强度

3．5 本章小结

第四章 流砂层下探矿竖井井筒破裂数值分析

4．1 概述

4．2 井壁地压的估算

4．3 计算模型及参数

4．3．1 计算模型的选取

4．3．2 屈服准则的选取

4．3．3 计算步骤

4．4 数值模拟结果分析

4．5 流砂层井壁位移、应力与埋深的关系

4．5 流砂层下井壁破裂机理分析

4．6 工程实例对比

4．7 本章小结

第五章 探矿竖井加固利用方案优选

5．1 探矿竖井加固利用的可行性分析

5．2．1 西矿段1#、2#探矿竖井具体情况

5．2．2 西矿段1#、2#探矿竖井处理

5．2 支护处理方案的数值模拟

5．2．1 方案一(破壁注浆支护)模拟计算

5．2．2 方案二(锚杆支护)模拟计算

5．2．3 方案三(锚喷支护)模拟计算

5．2．4 方案四(锚注喷加壁座支护)模拟计算

5．3 各方案数值模拟结果对比分析

5．3．1 最大水平位移分析

5．3．2 塑性区分析

5．3．3 剪应变增量分析

5．3．4 井壁结构支护承载力分析

5．3．5 单元安全度分析

5．4 各方案支护机理分析

5．4 工程实例中适用性比较

5．5 基于AHP-FCE模型综合评价

5．5．1 井壁安全稳定性评价指标体系构建

5．5．2 AHP确定指标层的权重

5．5．3 FCE进行模糊综合评价

5．6 本章小结

第六章 基于突变理论对井壁稳定性探讨

6．1 突变理论在结构失稳性系统中的应用

6．2 建竖井筒径向破坏突变模型

6．2．1 微圆环的弯曲应变能计算

6．2．2 微元环薄膜应变能计算

6．2．3 微元环荷载位能计算

6．3 井筒临界破坏稳定性探讨

6．4 工程实例中的应用

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术论文