本文關(guān)鍵詞：煤礦深部巷道TBM施工圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)研究

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【摘要】：全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(簡(jiǎn)稱TBM)在我國(guó)交通、水利、城市軌道交通等工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,相關(guān)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究成果豐碩。由于立井開拓煤礦地質(zhì)和施工條件復(fù)雜,國(guó)內(nèi)、外少見TBM施工深部巖石巷道的相關(guān)研究和工程報(bào)道。本文開展立井開拓煤礦深部巷道TBM施工圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)研究,對(duì)安全、快速、高效施工深井煤礦巖石巷道,推動(dòng)煤礦巖石巷道施工技術(shù)革命,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文以張集煤礦1413A工作面高抽巷掘進(jìn)工程為工程背景,根據(jù)巷道埋深大、地應(yīng)力場(chǎng)分布較為復(fù)雜、節(jié)理發(fā)育不均勻、掘進(jìn)速度快的特點(diǎn),分析了影響TBM掘進(jìn)深部煤系地層硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性存在的關(guān)鍵技術(shù)問題；通過A組煤頂板石英砂巖的單軸壓縮、三軸壓縮和三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn),揭示了石英砂巖力學(xué)特性和破壞特征即：石英砂巖的峰值強(qiáng)度與圍壓以及應(yīng)力路徑有關(guān),圍壓越高,石英砂巖的峰值強(qiáng)度也越高；在循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑下,由于累積損傷,其峰值強(qiáng)度低于三軸壓縮試驗(yàn)；石英砂巖破壞時(shí)表現(xiàn)為由細(xì)觀裂隙發(fā)育引起的脆性破壞。采用多種線型的Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合石英砂巖三軸循環(huán)加卸載的試驗(yàn)參數(shù),基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論,對(duì)比不同線型Mohr強(qiáng)度包絡(luò)線的決定系數(shù),優(yōu)化選出冪函數(shù)型Mohr強(qiáng)度包絡(luò)線,并在此基礎(chǔ)上,提出了石英砂巖三軸循環(huán)加卸載的強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系。在圓形巷道力學(xué)解析解分析的基礎(chǔ)上,采用攝動(dòng)法得到了冪函數(shù)型強(qiáng)度準(zhǔn)則的一般圓巷彈塑性解析解。算例分析表明,在深部煤系地層中,圍巖應(yīng)力水平對(duì)圍巖塑性范圍的影響大于支護(hù)反力,該塑性區(qū)形狀主要與側(cè)壓系數(shù)相關(guān)。依據(jù)三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用冪函數(shù)型Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則,對(duì)FLAC3D有限差分法數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行二次開發(fā),建立自定義模型,分析TBM掘進(jìn)巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)的分布和演化規(guī)律,通過與FLAC3D常規(guī)直線型Mohr模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩種不同強(qiáng)度準(zhǔn)則模型計(jì)算獲得的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律雖基本相同,但采用自定義模型算得的巷道塑性區(qū)和位移值更符合工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。在TBM掘進(jìn)過程中,開展了大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究。在巷道周邊布置多個(gè)鉆孔,安裝分布式光纖,孔間電阻率監(jiān)測(cè)元件和震波CT設(shè)備,獲得了TBM掘進(jìn)過程中的應(yīng)力場(chǎng)、地電場(chǎng)和波速場(chǎng)參數(shù),獲得了TBM掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖擾動(dòng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)演化時(shí)空效應(yīng)的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。基于煤礦硬巖巷道TBM施工特點(diǎn),深入分析了不同支護(hù)形式的適用性,通過數(shù)值模擬揭示了TBM掘進(jìn)與運(yùn)行過程中所選支護(hù)的受力特性,優(yōu)選了各設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,所選的支護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定,具有施工簡(jiǎn)便快捷、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過上述研究工作,初步構(gòu)建了TBM掘進(jìn)煤礦深部地層硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)理論與技術(shù)體系框架,為今后圍繞存在問題的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。此外,由于研究工作是伴隨著TBM掘進(jìn)巷道工程的設(shè)計(jì)和施工逐步展開的,具有現(xiàn)實(shí)的工程背景,對(duì)工程可行性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用,并在其后的同類工程施工中獲得了采納與應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD353

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本文編號(hào)：1144908