煤矿TBM掘进硬岩巷道围岩稳定性与支护方案研究

发布时间：2020-04-05 07:11

【摘要】：在我国公路交通隧道、水利隧道、城市轨道交通等工程领域,全断面岩石掘进机(简称TBM)己得到广泛应用,但由于立井煤矿所处地层地质条件和煤矿巷道施工条件复杂,TBM施工煤矿岩石巷道的相关研究和工程案例在国内外均不多见。随着TBM在硬岩巷道施工中应用的推广,亟需对TBM掘进扰动下硬岩巷道围岩稳定性的影响因素和巷道支护方案进行研究。本文在煤矿深部地层巷道施工的理论研究及工程实例分析的基础上,以山西某煤矿南回风巷道TBM掘进工程为背景,采用理论推导、数值模拟和现场原位监测相结合的方法,考虑巷道所在地层埋深较深、地应力场以构造应力场为主及TBM掘进循环的特点等因素。主要进行了如下研究:从圆形巷道在荷载下的破坏规律出发,推导了非均匀荷载下圆形巷道围岩的应力场、应变场及塑性区半径的一种弹塑性解析解,分析了侧压系数对塑性区范围的影响。以背景工程施工巷道为原型,采用FLAC3D软件建立数值模拟模型,模拟不同支护工况下TBM掘进硬岩巷道的全部过程,得出在TBM开挖扰动下,各支护工况的巷道围岩应力场、位移场及塑性区的分布演化规律,通过对比优化施工现场支护方案的设计参数。在背景工程TBM施工中的巷道进行了现场原位监测,收集了 TBM掘进巷道后巷道围岩变形量、支护锚杆轴力及支护锚索轴力变化过程的数据,分析其变化规律及影响因素,可看出支护方案有效的控制了巷道围岩的稳定性,验证了支护方案的可行性。对数值模拟及现场原位监测的结果进行了对比分析,两者的各项结果在数值上误差较小,变化趋势一致,验证了数值模拟的准确性。通过在数值模拟中改变计算模型的参数,探讨了岩体硬度、巷道断面尺寸和巷道轴线与最大水平主应力之间夹角对巷道围岩稳定性的影响。图[31]表[5]参[69]
【图文】：

巷道围岩,力学模型

逑设弹性区周边的巷道围岩在结构上未受开挖影响，，处于完整状态。建立巷道力学逡逑模型如图２所示。逡逑／／／邋／／／邋／／／邋／／／邋／／／邋［／／／逡逑ｐ邋１逦Ｚ＞２0Ｒ＜逡逑腿画逦〉逡逑Ｘ—Ｐ＿｜—⑦鲁。逡逑丽画逡逑Ｐｉ逡逑图２巷道围岩力学模型逡逑Ｆｉｇ．邋２邋Ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｃｓ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ邋ｒｏｃｋ逡逑２．１．２基本方程逡逑进行巷道围岩的变形和应力的求解时，采用的岩体平衡微分方程为：逡逑ｄａＬ＋＾ｇ＿＝邋0逦（２－１）逡逑ｄｒ邋ｒ逡逑几何方程为：逡逑￡ｒ邋＝邋－逦＝－逦（２－２）逡逑７邋ｄｒ逦ｒ逡逑本构方程为：逡逑￡ｒ邋＝邋￣￣邋ａｒ邋￣邋Ｙ＾ｌ＜Ｊｄ逦（２－３ａ）逡逑￡ｅ邋—邋￣ｙ￣逦—逦Ｉ＾ｆｆｒ逦（２－３ｂ）逡逑边界条件和接触条件为：逡逑ｒ邋＝邋ａ时，（２－４ａ）逡逑ｒ邋＝邋ｉ？ｐ时，0ｒｐ邋＝邋0ｒｅ邋ｕｐ邋＝邋ｕｅ逦（２－４ｂ）逡逑－１２－逡逑

示意图,围岩应力,示意图,圆形巷道

逦（２－４ｃ）逡逑２．１．３围岩弹性解析逡逑求解作用下的圆形巷道的应力场前，如图３所示，通过基尔斯解答，将非均逡逑匀应力场分解为均匀应力场和左右受压、上下受拉应力场。分别计算两种应力场逡逑作用下圆形巷道的弹性区和位移的解析解，将结果再叠加综合，即可得出非均匀逡逑应力场作用下圆形巷道的弹性区应力和位移的解析解。逡逑ｐ逦ｐ逡逑１逦１逡逑ＸＰ邋—厂、逦一Ｘ＊ｐ逡逑ｘ＞ｐ邋—？－逡逑＾１邋￣￣１邋＾逡逑ｐ逦Ｐ逡逑图ａ逡逑Ｒ逦Ｒ逡逑ｔ邋＇ｔ逦ｒ－ｔ邋＇Ｉ．逡逑：二邋Ｃ）邋＝：邋：：邋Ｏ邋二逡逑．ｒ逦ｒ逦ｔ—ｔ逡逑ｐ，逦ｐ，逦Ｐｉ逦Ｐｉ逡逑图ｂ逦图ｃ逡逑图３围岩应力场分解示意图逡逑Ｆｉｇ．３邋ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ邋ｒｏｃｋ邋ｓｔｒｅｓｓ逡逑由图３所示，图ａ为巷道围岩所处的非均匀应力场，设图中的垂直向应力为逡逑Ｚ５，水平应力为又户，图ｂ为分解非均匀应力场得到的均布受压力场，设图中围逡逑－１３邋－逡逑
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD322.4;TD353

【参考文献】