煤矿深立井马头门围岩历时稳定性及其控制技术

发布时间：2017-05-05 10:08

  本文关键词：煤矿深立井马头门围岩历时稳定性及其控制技术，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：深井多呈现出工程地质条件复杂、地压大等特点。由于深立井马头门位处矿井咽喉部位,设计断面大,在施工过程中,围岩反复受到扰动,因此,深立井马头门破坏的现象时有发生,严重影响围岩稳定性和支护结构安全。针对上述技术难题,以确保深立井马头门围岩稳定和支护结构安全为目的,采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场实测相结合的研究方法,系统地开展了深立井马头门围岩历时稳定性分析、控制技术与应用等方面的研究。论文的主要研究工作及成果如下：(1)试验室内展开深部地层砂质泥岩的三轴蠕变试验,在线性伯格斯模型的基础上建立变参数非线性黏弹塑性伯格斯蠕变本构模型。它可以完整的描述砂质泥岩在较低应力水平和超过破裂应力水平下的蠕变力学行为。采用莱芬博格-马奎特算法对该模型的蠕变参数进行了辨识,发现在同一级应力水平下砂质泥岩蠕变模型的轴向、径向应变参数有所差异,砂质泥岩的蠕变变形具有各向异性的特征,数值计算二次开发时蠕变模型参数取值需要考虑不同应力水平下岩石蠕变的各向异性。(2)以淮南某矿副井马头门为原型,建立马头门大型三维数值计算模型,结合深部地层岩石蠕变试验提出的变参数非线性伯格斯蠕变模型,进行了基于ABAQUS的用户本构模型二次开发,并应用于深立井马头门围岩历时稳定性的三维数值模拟分析。数值计算揭示了马头门围岩位移场和应力场分布规律以及塑性区的分布特征。指出随着时间推移和马头门的分步开挖,硐室围岩主要应力集中区呈现“历时三区转化”规律。建立了一套完整的大型深立井马头门历时数值分析方法,可对马头门的围岩稳定性进行评价,数值分析结果能够为深立井马头门围岩变形控制与支护结构优化设计提供有力依据。(3)研制煤矿深立井马头门大型三维物理模型试验装置,首次采用光纤、电法和电阻式传感器等联合测试系统,得到了煤矿深井马头门分步开挖过程中的应力场、位移场和松动范围变化规律。由光纤测试结果可知,井筒和马头门交界处围岩受井筒和马头门开挖影响显著,围岩受影响范围约300mm,相当于实际工程中的影响范围为15m；马头门两边围岩受影响范围约200mm,相当于实际工程中的影响范围为l0m。井筒和马头门开挖,引起围岩应力减少,距离马头门顶板2-3m处,围岩最小应力降为原岩应力的20～30%左右。电法测试系统所测得松动圈厚度基本为200mm～300mm,和光纤测试结果一致。(4)依据深立井马头门数值计算与模型试验揭示的围岩历时稳定性演化规律,结合工程应用监测结果,针对深立井马头门的地质条件、施工过程和支护结构设计,提出系列深立井马头门围岩变形控制技术。采用地面预注浆技术,加固马头门上下段井壁围岩及马头门大硐室顶底板围岩,提高软弱岩体的承载能力。从装药结构、爆破参数以及周边控界爆破技术等方面控制爆破对围岩的扰动。在马头门大硐室与两侧后续巷道之间施工一排密集深钻孔,隔离邻近硐室施工和变形扰动对已支护马头门衬砌和围岩的稳定性影响。包括上、下口段井壁,深立井马头门两侧硐室衬砌混凝土的整体浇筑段长度由目前的3m左右加长到6-8m。将信号硐室和液压泵站等硐室支护结构与马头门支护结构同时施工,避免后续施工对已浇筑井壁的扰动影响。针对深立井马头门的围岩赋存深度、主要岩性和断面尺寸等因素提出连接段井壁和马头门硐室支护结构的分级策略。(5)将深部马头门围岩控制技术成功应用到两淮矿区的多对深立井马头门工程中。发现深部地层马头门支护结构的钢筋应力、混凝土应变及硐室断面收敛变化曲线100天左右以后逐渐趋缓,马头门围岩与支护结构形成有效共同作用体,硐室变形得到了有效控制。马头门附近硐室的施工容易造成深立井马头门变形加速,严重的会造成结构的破损,因此需要实时监测马头门大硐室支护结构的内部受力和表面收敛,必要时采取壁后注浆加固围岩和锚索梁加固衬砌结构等补强措施,确保深井马头门的稳定。伴随国内外煤矿资源采掘深度逐渐加大,深立井马头门围岩控制技术的应用必将得到重视和推广。
【关键词】：煤矿 深部地层 马头门 稳定性 支护结构 控制技术
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD350
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-33
• 1.1 研究的背景和意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-30
• 1.2.1 论分析17-22
• 1.2.2 试验研究22-28
• 1.2.3 控制技术28-30
• 1.3 主要研究内容与方法30-33
• 1.3.1 研究内容31
• 1.3.2 研究方法与技术路线31-33
• 2 煤矿深部地层岩石蠕变试验研究33-45
• 2.1 概述33-34
• 2.2 砂质泥岩三轴蠕变试验34-37
• 2.2.1 主要试验设备34-35
• 2.2.2 三轴蠕变试验过程35-37
• 2.3 砂质泥岩变参数非线性蠕变本构模型37-43
• 2.3.1 伯格斯线性蠕变模型37-39
• 2.3.2 变参数非线性伯格斯蠕变模型39-41
• 2.3.3 蠕变模型参数辨识方法41-42
• 2.3.4 蠕变模型参数的辨识与验证42-43
• 2.4 小结43-45
• 3 深立井马头门围岩历时稳定性分析45-74
• 3.1 数值模拟软件选择45
• 3.2 深立井马头门的原型45-46
• 3.3 深立井马头门数值计算模型46
• 3.4 单元类型和本构关系46-54
• 3.4.1 单元类型46-50
• 3.4.2 ABAQUS用户本构关系的二次开发50-54
• 3.5 模型尺寸及边界条件54
• 3.6 马头门开挖与支护数值模拟方法54-56
• 3.7 马头门施工步骤56
• 3.8 数值计算结果及分析56-73
• 3.8.1 井筒纵向剖面围岩位移场和应力场57-65
• 3.8.2 马头门横向剖面围岩位移场和应力场65-72
• 3.8.3 各剖面围岩塑性区72-73
• 3.9 小结73-74
• 4 深立井马头门围岩响应规律试验研究74-101
• 4.1 相似准则74-79
• 4.1.1 几何相似常数75-76
• 4.1.2 相似材料76-78
• 4 .1.3荷载相似常数78-79
• 4.2 相似模型实验系统79-88
• 4.2.1 实验模型制作和安装79-82
• 4.2.2 模型实验测试系统82-85
• 4.2.3 模型实验加载和测试方案85-87
• 4.2.4 模型实验井筒和马头门开挖87-88
• 4.3 实验结果分析88-100
• 4.3.1 围岩应力和变形88-95
• 4.3.2 井筒和马头门衬砌结构内力变化95-97
• 4.3.3 围岩松动圈测试结果97-100
• 4.4 小结100-101
• 5 深立井马头门围岩变形控制技术101-121
• 5.1 围岩变形控制技术的依据101-102
• 5.2 马头门地面注浆加固102-103
• 5.3 爆破扰动控制技术103-105
• 5.4 马头门隔离孔施工与整体浇筑105-108
• 5.4.1 马头门隔离孔施工105-106
• 5.4.2 马头门整体浇筑106-108
• 5.5 马头门处井壁结构支护优化108-111
• 5.5.1 马头门处井壁支护结构分级优化108-109
• 5.5.2 望峰岗矿马头门处井壁结构优化109-111
• 5.6 马头门支护结构优化111-119
• 5.6.1 马头门支护结构分级优化111-113
• 5.6.2 潘一东矿副井马头门支护结构优化113-119
• 5.7 小结119-121
• 6 深立井马头门支护优化与变形控制技术工程应用121-133
• 6.1 潘一东矿马头门支护结构优化工程应用121-128
• 6.2 望峰岗矿第二副井马头门支护结构优化工程应用128-131
• 6.3 综合分析131-132
• 6.4 小结132-133
• 7 结论与展望133-136
• 7.1 主要结论133-135
• 7.2 创新点135
• 7.3 展望135-136
• 参考文献136-145
• 致谢145-146
• 作者简介及读博期间主要科研成果146-148

【参考文献】

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本文编号：346138