本文關(guān)鍵詞：富水深埋TBM斜井圍巖卸荷特性研究

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【摘要】：由于淺部礦產(chǎn)儲(chǔ)量越來(lái)越少,國(guó)家與政府對(duì)深部礦床開(kāi)采越來(lái)越重視,特別是煤炭深部資源和開(kāi)采問(wèn)題的研究上,得到了極大的關(guān)注。隨著煤炭開(kāi)采深度的加大,對(duì)煤礦斜井掘進(jìn)的技術(shù)要求也越來(lái)越高,由于TBM法相對(duì)于傳統(tǒng)的施工方法,在安全、進(jìn)度、質(zhì)量、效益等多方面顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì),在長(zhǎng)距離斜井施工中引進(jìn)TBM技術(shù),是煤炭深部資源開(kāi)采發(fā)展的必然趨勢(shì),對(duì)于我國(guó)煤礦建井技術(shù)是一場(chǎng)革命,為煤礦安全、高效生產(chǎn)具有極其重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)實(shí)意義。TBM法用于富水、深埋、大坡度的煤礦斜井施工,技術(shù)要求復(fù)雜,為煤礦的建設(shè)帶來(lái)了新的問(wèn)題,另外,由于斜井開(kāi)挖的卸荷效應(yīng)和地下水滲流的影響,TBM斜井施工時(shí)圍巖的力學(xué)特性又變得更加復(fù)雜。論文針對(duì)TBM斜井建設(shè)中亟需解決的富水、大坡度條件下的洞室圍巖力學(xué)問(wèn)題,以國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973課題“深部復(fù)合地層TBM破巖機(jī)理及可掘性評(píng)價(jià)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(duì)象,采用試驗(yàn)、理論和數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法,對(duì)卸荷效應(yīng)和地下水滲流影響下的TBM斜井圍巖的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:①通過(guò)斜井圍巖巖石的基本力學(xué)試驗(yàn),確定TBM工程研究段的力學(xué)參數(shù),并基于Hoek-Brown準(zhǔn)則,引入損傷變量推導(dǎo)巖石卸荷本構(gòu)模型。同時(shí),在TBM斜井工程圍巖力學(xué)參數(shù)等相關(guān)資料基礎(chǔ)上,利用數(shù)值軟件FLAC3D和數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS,基于卸荷巖體理論,對(duì)斜井圍巖卸荷參數(shù)進(jìn)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。②利用洞室?guī)缀纬叽缈紤]斜井坡度的影響,推導(dǎo)了基于復(fù)變函數(shù)理論的斜井圍巖應(yīng)力和位移的理論解,另外,通過(guò)應(yīng)力邊界條件的轉(zhuǎn)化建立了基于極坐標(biāo)系下的斜井圍巖應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù);將兩種理論解得到的結(jié)果應(yīng)用于TBM斜井工程,與數(shù)值分析得到的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了理論解的合理性,并討論了斜井應(yīng)力和位移隨斜井坡度及側(cè)壓力系數(shù)變化的規(guī)律。③利用有限差分軟件FLAC3D,并通過(guò)FISH語(yǔ)言編寫(xiě)卸荷、應(yīng)力釋放和后處理函數(shù),建立了TBM斜井?dāng)?shù)值模型分析洞室開(kāi)挖卸荷模擬方法和TBM斜井施工動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。分別對(duì)考慮卸荷和非卸荷條件下的工況進(jìn)行數(shù)值分析,研究對(duì)比兩種工況下的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布。④考慮地下水滲流作用,以流固耦合數(shù)值計(jì)算理論為基礎(chǔ),對(duì)富水TBM斜井施工進(jìn)行三維流固耦合數(shù)值模擬研究。對(duì)比分析斜井和平洞圍巖的力學(xué)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(duì)TBM斜井圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)分布和滲流場(chǎng)分布的影響。⑤基于卸荷效應(yīng)和流固耦合效應(yīng),對(duì)富水TBM斜井動(dòng)態(tài)施工進(jìn)行數(shù)值分析,研究了圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)、卸荷區(qū)及滲流場(chǎng)分布隨施工進(jìn)度的演化規(guī)律;研究了TBM斜井掘進(jìn)過(guò)程中側(cè)壓力系數(shù)、斜井坡度、洞室直徑、注漿時(shí)間和開(kāi)挖面的支護(hù)應(yīng)力比對(duì)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(yīng)力、塑性分布和卸荷區(qū)域分布在TBM掘進(jìn)中的動(dòng)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(chǔ)上,對(duì)TBM掘進(jìn)速率、管片支護(hù)時(shí)機(jī)及錨桿支護(hù)等變形常規(guī)控制措施進(jìn)行優(yōu)化研究。⑥以VB.NET為平臺(tái)對(duì)FLAC3D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),結(jié)合斜井二維的理論計(jì)算,將三維數(shù)值計(jì)算和理論計(jì)算集成一體,建立了TBM斜井圍巖穩(wěn)定性智能分析交互系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)易說(shuō)明和工程實(shí)例應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD32

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