深埋软岩大断面硐室变形与稳定性分析

摘要

我国煤炭行业正处于东部向西部转移、浅部向深部迁移和小断面向大断面拓展的特殊时期，对西部深埋软岩大断面硐室的研究已经是大势所趋。西部软岩大硐室岩性弱、断面大、埋深大，由此引发的围岩变形大、塑性区深、变形延续时间长，对传统的支护理形成了冲击。因此，研究深部软岩大断面硐室的稳定性影响因素及其控制技术具有重要意义。
　　本论文针对内蒙古鄂尔多斯市境内红庆梁煤矿主斜井和井底煤仓连接处的装载硐室，通过地质调研、室内物理力学性质实验分析了大断面硐室的地质情况和围岩参数，为变形机理的分析、支护方法的提出及模拟参数的确定提供数据支撑。
　　(1)运用多种方法分析了大断面硐室的变形机理:利用复变函数分析了装载硐室的围岩应力场的分布，结合芬纳公式分析断面尺寸对硐室变形的影响，采用X射线和电镜分析围岩的矿物成分并探究其对硐室变形的影响机制。定性地讨论了断面的形状和处于硐室群干扰对下大断面硐室变形情况。
　　(2)基于大断面硐室变形的影响机制，探究了硐室顶底板和两帮的变形过程和变形形态，利用CXK28矿用钻孔成像仪对硐室围岩内部直观探测，得到围岩松动圈厚度;同时分析了各种主被动支护方式的加固机理，探索适合红庆梁软岩大硐室的支护方式。结合支护理论提出了锚网索喷作为初次支护和钢筋混凝土砌碹+钢梁支撑的二次支护方式。
　　(3)应用有限差分软件FALC3D实况模拟了井底装载硐室，研究了硐室围岩与支护共同作用的效果，分析了围岩变形、围岩应力、塑性区及支护结构的稳定性，验证了前述支护方法的可行性，并指出支护设计存在的不足并提出补强措施。
　　(4)在模拟的指导下设计了监测方案，对硐室支护全寿命进行稳定性监测与评价，对初次支护锚杆索受力进行分析，煤仓开挖之后施加二次支护的监测，分别对钢筋应力和混凝土应变监测实现二次衬砌的实时监控。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 软岩大硐室稳定性分析方法研究

1．2．2 软岩工程研究现状

1．2．3 软岩大断面硐室研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 研究方法

1．5 主要技术路线

2 工程地质条件及围岩力学实验

2．1 红庆梁煤矿工程概况

2．1．1 地层情况

2．1．2 矿井工程地质条件

2．2 软岩大硐室围岩力学性能测试

2．3 本章小结

3 深埋软岩大硐室变形机制研究

3．1 基于复变函数对硐室围岩的力学解析

3．1．1 复变函数的简述

3．1．2 保角变换

3．1．3 大硐室围岩应力解析

3．2 断面尺寸

3．3 围岩矿物成分

3．4 断面形状

3．5 硐室群扰动

3．6 本章小结

4 深埋软岩大硐室围岩变形控制研究

4．1 硐室围岩变形特征

4．1．1 硐室围岩变形过程

4．1．2 硐室围岩变形形态

4．1．3 硐室围岩内部变形特征

4．2 硐室围岩支护方式

4．3 支护围岩作用机理

4．3．1 支护围岩共同作用理论

4．3．2 围岩支护加固原则

4．4 红庆梁软岩大硐室围岩支护加固技术

4．5 本章小结

5 井底装载硐室数值模拟

5．1 围岩模型建立

5．1．1 基本假设

5．1．2 模型范围选取

5．1．3 网格尺寸确定及边界条件设定

5．2 围岩本构模型及参数赋值

5．2．1 计算模型选取

5．2．2 结构单元

5．2．3 锚杆等效

5．3 井底装载硐室监测面设置与开挖

5．3．1 监测断面设置

5．3．2 开挖方法

5．4 井底装载硐室初期稳定性分析

5．4．1 围岩的变形分析

5．4．2 围岩的应力及塑性区分析

5．4．3 初期支护结构稳定性分析

5．5 井底装载硐室长期稳定性分析

5．5．1 煤仓开挖后变形分析

5．5．2 围岩的应力、塑性区分析

5．5．3 二次支护结构稳定性分析

5．6 支护建议

5．7 本章小结

6 井底装载硐室矿压监测分析与支护效果评价

6．1 井底装载硐室矿压监测方案分析

6．2 前期矿压监测

6．2．1 矿压监测设计

6．2．2 矿压监测分析

6．3 二次衬砌支护监测

6．3．1 监测仪器介绍

6．3．2 现场监测方案设计与仪器安装

6．3．3 二次监测结果分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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