富水深埋TBM斜井圍巖卸荷特性研究.pdf

1、由于淺部礦產儲量越來越少，國家與政府對深部礦床開采越來越重視，特別是煤炭深部資源和開采問題的研究上，得到了極大的關注。隨著煤炭開采深度的加大，對煤礦斜井掘進的技術要求也越來越高，由于TBM法相對于傳統(tǒng)的施工方法，在安全、進度、質量、效益等多方面顯現(xiàn)優(yōu)勢，在長距離斜井施工中引進TBM技術，是煤炭深部資源開采發(fā)展的必然趨勢，對于我國煤礦建井技術是一場革命，為煤礦安全、高效生產具有極其重要的社會、經(jīng)濟、現(xiàn)實意義。TBM法用于富水、深埋、大坡度

2、的煤礦斜井施工，技術要求復雜，為煤礦的建設帶來了新的問題，另外，由于斜井開挖的卸荷效應和地下水滲流的影響，TBM斜井施工時圍巖的力學特性又變得更加復雜。論文針對TBM斜井建設中亟需解決的富水、大坡度條件下的洞室圍巖力學問題，以國家重點基礎研究發(fā)展計劃973課題“深部復合地層TBM破巖機理及可掘性評價方法”(2014CB046903)為依托、以某礦區(qū) TBM斜井工程為背景和主要研究對象，采用試驗、理論和數(shù)值分析相結合的研究方法，對卸荷效應

3、和地下水滲流影響下的TBM斜井圍巖的力學特性進行了研究。主要研究內容如下：
　　①通過斜井圍巖巖石的基本力學試驗，確定TBM工程研究段的力學參數(shù)，并基于Hoek-Brown準則，引入損傷變量推導巖石卸荷本構模型。同時，在TBM斜井工程圍巖力學參數(shù)等相關資料基礎上，利用數(shù)值軟件FLAC3D和數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS，基于卸荷巖體理論，對斜井圍巖卸荷參數(shù)進行反演分析，找出巖石卸荷率與圍巖彈性模量間的變化規(guī)律。
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4、考慮斜井坡度的影響，推導了基于復變函數(shù)理論的斜井圍巖應力和位移的理論解，另外，通過應力邊界條件的轉化建立了基于極坐標系下的斜井圍巖應力和位移的另一種理論解，從而求得洞室拱頂和拱腰處的變形、應力和應力集中系數(shù)；將兩種理論解得到的結果應用于TBM斜井工程，與數(shù)值分析得到的應力和位移進行對比，驗證了理論解的合理性，并討論了斜井應力和位移隨斜井坡度及側壓力系數(shù)變化的規(guī)律。
　?、劾糜邢薏罘周浖﨔LAC3D，并通過FISH語言編寫卸荷、應

5、力釋放和后處理函數(shù)，建立了TBM斜井數(shù)值模型分析洞室開挖卸荷模擬方法和TBM斜井施工動態(tài)模擬過程。分別對考慮卸荷和非卸荷條件下的工況進行數(shù)值分析，研究對比兩種工況下的位移、應力和塑性區(qū)分布。
　?、芸紤]地下水滲流作用，以流固耦合數(shù)值計算理論為基礎，對富水TBM斜井施工進行三維流固耦合數(shù)值模擬研究。對比分析斜井和平洞圍巖的力學行為特性，研究富水條件下坡度的影響，并分別分析滲流控制因素（地下水位、孔隙率和滲透系數(shù)）的變化對TBM斜井圍

6、巖變形、應力、塑性區(qū)分布和滲流場分布的影響。
　?、莼谛逗尚土鞴恬詈闲?，對富水TBM斜井動態(tài)施工進行數(shù)值分析，研究了圍巖變形、應力、塑性區(qū)、卸荷區(qū)及滲流場分布隨施工進度的演化規(guī)律；研究了TBM斜井掘進過程中側壓力系數(shù)、斜井坡度、洞室直徑、注漿時間和開挖面的支護應力比對斜井圍巖穩(wěn)定性的影響，分析這些因素下洞室圍巖的位移、應力、塑性分布和卸荷區(qū)域分布在TBM掘進中的動態(tài)和靜態(tài)規(guī)律；在斜井圍巖穩(wěn)定性影響因素研究基礎上，對TBM掘