煤矿深部巷道TBM施工围岩稳定性与支护技术研究

发布时间：2017-11-05 16:11

  本文关键词：煤矿深部巷道TBM施工围岩稳定性与支护技术研究

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【摘要】：全断面岩石掘进机(简称TBM)在我国交通、水利、城市轨道交通等工程领域已得到广泛应用,相关理论与关键技术研究成果丰硕。由于立井开拓煤矿地质和施工条件复杂,国内、外少见TBM施工深部岩石巷道的相关研究和工程报道。本文开展立井开拓煤矿深部巷道TBM施工围岩稳定性与支护技术研究,对安全、快速、高效施工深井煤矿岩石巷道,推动煤矿岩石巷道施工技术革命,具有重要的理论意义和应用价值。本文以张集煤矿1413A工作面高抽巷掘进工程为工程背景,根据巷道埋深大、地应力场分布较为复杂、节理发育不均匀、掘进速度快的特点,分析了影响TBM掘进深部煤系地层硬岩巷道围岩稳定性存在的关键技术问题；通过A组煤顶板石英砂岩的单轴压缩、三轴压缩和三轴循环加卸载试验,揭示了石英砂岩力学特性和破坏特征即：石英砂岩的峰值强度与围压以及应力路径有关,围压越高,石英砂岩的峰值强度也越高；在循环加卸载应力路径下,由于累积损伤,其峰值强度低于三轴压缩试验；石英砂岩破坏时表现为由细观裂隙发育引起的脆性破坏。采用多种线型的Mohr强度准则拟合石英砂岩三轴循环加卸载的试验参数,基于统计学理论,对比不同线型Mohr强度包络线的决定系数,优化选出幂函数型Mohr强度包络线,并在此基础上,提出了石英砂岩三轴循环加卸载的强度准则和本构关系。在圆形巷道力学解析解分析的基础上,采用摄动法得到了幂函数型强度准则的一般圆巷弹塑性解析解。算例分析表明,在深部煤系地层中,围岩应力水平对围岩塑性范围的影响大于支护反力,该塑性区形状主要与侧压系数相关。依据三轴循环加卸载试验数据,采用幂函数型Mohr强度准则,对FLAC3D有限差分法数值计算软件进行二次开发,建立自定义模型,分析TBM掘进巷道围岩的应力场、位移场、塑性区的分布和演化规律,通过与FLAC3D常规直线型Mohr模型计算结果对比发现,两种不同强度准则模型计算获得的应力场分布规律虽基本相同,但采用自定义模型算得的巷道塑性区和位移值更符合工程现场监测结果。在TBM掘进过程中,开展了大量现场监测研究。在巷道周边布置多个钻孔,安装分布式光纤,孔间电阻率监测元件和震波CT设备,获得了TBM掘进过程中的应力场、地电场和波速场参数,获得了TBM掘进时巷道围岩扰动、应力场、位移场演化时空效应的大量实测数据,为优化支护设计提供了依据。基于煤矿硬岩巷道TBM施工特点,深入分析了不同支护形式的适用性,通过数值模拟揭示了TBM掘进与运行过程中所选支护的受力特性,优选了各设计参数。实测结果表明,所选的支护巷道围岩稳定,具有施工简便快捷、成本低等优点。通过上述研究工作,初步构建了TBM掘进煤矿深部地层硬岩巷道围岩稳定性与支护理论与技术体系框架,为今后围绕存在问题的进一步研究奠定了基础。此外,由于研究工作是伴随着TBM掘进巷道工程的设计和施工逐步展开的,具有现实的工程背景,对工程可行性分析和支护设计中发挥了重要作用,并在其后的同类工程施工中获得了采纳与应用。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353

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