煤矿采空区隧道施工安全数值模拟及监控预警方法研究

发布时间：2017-09-25 19:12

  本文关键词：煤矿采空区隧道施工安全数值模拟及监控预警方法研究

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【摘要】：我国幅员辽阔煤矿资源丰富,开采余留下来的煤矿采空区存在于很多矿山地区。当公路隧道穿越山体,位于隧道周边的采空区会对其围岩稳定性造成不利影响。本文以重庆市华岩隧道为依托,通过力学模型的建立、数值模拟方法及隧道现场实测资料的相互印证,探究了煤矿采空区对于隧道施工过程围岩的稳定性的研究,以此给出采空区隧道建设相配套的监控预警方法。主要研究成果如下:(1)依据煤矿采空区形成的原理,充分考虑了三种形式(0度水平煤层、30度缓斜煤层及60度急斜煤层)下采空区的形成机理。以隧道与采空区之间净距L及采空区尺寸S作为变量,通过考虑隧采空区位于隧道上下方两种情况提出单一变量影响下的施工力学模型。(2)通过ansys模拟隧道上穿及下穿采空区的施工工况,研究结果表明:隧道围岩的竖向位移随煤层倾角的增大而增大,同时采空区的存在对于竖向位移的影响明显大于水平方向位移。净距L越小或者采空区尺寸S越大时,对于隧道围岩的塑性区影响越大,且影响区域主要集中在近煤层一侧隧道围岩,具体的单一变量临界破坏值及塑性区规律如下:1)采空区位于隧道上方时:煤层倾角为0度,净距L=0.5D或者采空区尺寸S=D×3时,隧道上部由左右拱腰至采空区边缘围岩出现“三角形”贯通区;煤层倾角为30度,净距L=1D或采空区尺寸S=0.9D×3时,采空区与隧道之间围岩塑性区出现贯通;煤层倾角为60度,净距L=2D或者采空区尺寸S=0.7D×3时,采空区与隧道之间塑性区出现贯通。2)采空区位于隧道下方时:煤层倾角为0度,净距L=0.3D或采空区尺寸S=D×3时,采空区与隧道之间围岩塑性区出现贯通;煤层倾角为30度,净距L=1.5D或采空区尺寸S=0.7D×3时,采空区与隧道之间围岩塑性区出现贯通;煤层倾角为60度,净距L=2D或采空区尺寸S=0.6D×3时,采空区与隧道之间塑性区出现贯通。3)考虑煤层倾角为60度的最不利情况,通过强度折减法研究4种工况条件下隧道的折减系数。(3)以华岩隧道ZK1+567段采空区监控量测实测数据与数值模拟的结果相对比,得出结果规律基本一致。此外针对采空区有无倾角情况下位移对比,并通过相关规范、类似工程实例资料及所在工程实测数据三个方面来综合考虑得出采空区隧道预警基准值及预警标准。
【关键词】：煤矿采空区 施工力学模型 围岩稳定性 监控量测 预警
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD76
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 煤矿采空区破坏机理研究现状10
• 1.2.2 隧道穿煤矿采空区施工过程围岩稳定性研究现状10-11
• 1.2.3 采空区隧道监控预警方法研究现状11-12
• 1.3 本文研究内容及技术路线12-15
• 1.3.1 研究内容12-13
• 1.3.2 技术路线13-15
• 第二章 华岩隧道工程地质概况15-27
• 2.1 工程概况15-16
• 2.2 工程地质概况16-18
• 2.2.1 地形地貌16
• 2.2.2 地质构造16-18
• 2.3 气象与水文18-20
• 2.4 不良地质20-24
• 2.4.1 岩溶及岩溶突水、突泥21
• 2.4.2 断层21
• 2.4.3 瓦斯等有害气体21-23
• 2.4.4 煤矿采空区23-24
• 2.5 华岩隧道穿煤层采空区处治设计24-25
• 2.6 本章小结25-27
• 第三章 考虑煤矿采空区的隧道施工过程数值模拟方法27-37
• 3.1 采空区力学模型27-28
• 3.1.1 采空区形成机理27-28
• 3.1.2 采空区垮落带支撑应力28
• 3.2 考虑煤矿采空区的隧道施工过程数值模拟28-33
• 3.2.1 有限元软件ansys简介28-30
• 3.2.2 隧道断面尺寸及围岩物理参数选取30-31
• 3.2.3 隧道施工过程模拟方法31
• 3.2.4 煤矿采空区的模拟及实现31-33
• 3.3 考虑煤矿采空区的隧道施工力学模型33-36
• 3.3.1 采空区与隧道不同净距下的隧道施工力学模型34-35
• 3.3.2 不同尺寸大小煤矿采空区的隧道施工力学模型35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 煤矿采空区对隧道开挖围岩稳定性影响分析37-62
• 4.1 穿煤矿采空区隧道围岩稳定性判定依据37-39
• 4.1.1 围岩相对位移37
• 4.1.2 围岩塑性区37-38
• 4.1.3 强度折减法38-39
• 4.2 不同倾角煤层位于隧道上方对于隧道围岩稳定性影响分析39-48
• 4.2.1 煤矿采空区与隧道之间净距影响分析39-44
• 4.2.2 煤矿采空区不同尺寸影响分析44-48
• 4.3 不同倾角煤层位于隧道下方对于隧道围岩稳定性影响分析48-57
• 4.3.1 煤矿采空区与隧道之间净距影响分析48-52
• 4.3.2 煤矿采空区不同尺寸影响分析52-57
• 4.4 基于强度折减法的围岩稳定性分析57-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 采空区隧道施工过程监控预警方法研究62-75
• 5.1 华岩隧道采空区ZK1+567 段监控量测62-66
• 5.1.1 监控量测内容62-65
• 5.1.2 华岩隧道采空区段监控量测数据分析65-66
• 5.2 隧道穿煤矿采空区监控量测方法66-71
• 5.2.1 采空区位于隧道上方条件下隧道监控量测布点67-68
• 5.2.2 采空区位于隧道下方条件下隧道监控量测布点68-71
• 5.3 采空区隧道监控预警基准值及预警等级71-73
• 5.4 本章小结73-75
• 第六章 结论与展望75-77
• 6.1 主要研究结论75-76
• 6.2 存在的问题及今后的研究方向76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 攻读学位期间的研究成果82

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本文编号：919088