煤層開采對盾構(gòu)斜井管片結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律研究.pdf

1、我國煤炭資源經(jīng)過長期大規(guī)模開采，淺部煤炭資源逐漸面臨枯竭，開采深度不斷增大，目前平均開采深度已經(jīng)接近600m。由于煤炭主運輸、輔助運輸連續(xù)化的要求，采用緩坡斜井開發(fā)的井筒越來越多，對煤礦斜井掘進施工設備、工藝技術(shù)和運營安全保障提出了新的挑戰(zhàn)。
　　神華新街臺格廟礦區(qū)設計采用盾構(gòu)施工長距離煤礦斜井，并采用預制混凝土管片作為支護結(jié)構(gòu)在國內(nèi)建井史上尚屬首次，亟需研究煤層開采對盾構(gòu)斜井管片結(jié)構(gòu)安全性的影響。通過礦山壓力理論與盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設

2、計理論相結(jié)合，提出煤層開采對斜井結(jié)構(gòu)安全性影響因素主要包括上覆地層移動、地層應力重分布和含水層疏排水三個方面。將采動引起的地層移動曲線與管片結(jié)構(gòu)縱向等效連續(xù)模型理論相結(jié)合，分析地層移動引起的管片結(jié)構(gòu)應力和變形規(guī)律;根據(jù)不同條件下圍巖特征曲線對圍巖進行分類，提出了更加完備的圍巖壓力確定方法，并分析了應力重分布對圍巖壓力的影響;針對第四系表土含水層和基巖含水層，分別研究了煤層開采引起的含水層疏排水對管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。針對靠近采煤工作面區(qū)域

3、的應力重分布影響區(qū)，開展了大型相似材料模型試驗分析，研究了管片結(jié)構(gòu)應力變形隨采煤工作面推進的變化規(guī)律，并對相似材料模型試驗中尺寸效應、相似材料配比、流固耦合試驗適用性等關(guān)鍵問題進行了分析。采用3DEC數(shù)值模擬軟件對新街臺格廟礦區(qū)盾構(gòu)試驗斜井工程進行了模擬分析，驗證了煤層開采引起的上覆地層運動規(guī)律及其對斜井管片結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。取得的主要研究成果如下:
　　(1)煤層開采引起的上覆地層移動主要對斜井管片縱向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。將地層移

4、動曲線W(x)與盾構(gòu)管片縱向等效連續(xù)模型理論相結(jié)合，可計算得到管片結(jié)構(gòu)應力和變形結(jié)果。地層移動引起管片接頭處發(fā)生張開、錯臺變形，并產(chǎn)生附加應力，但是管片接頭的存在使得管片結(jié)構(gòu)能夠抵御較大縱向變形，相比傳統(tǒng)的整體式井筒結(jié)構(gòu)更加能夠適應煤層開采引起的地層移動。
　　(2)煤層開采引起的應力重分布主要對靠近采煤工作面區(qū)域斜井管片安全性產(chǎn)生影響。根據(jù)圍巖性質(zhì)及所處的地應力狀態(tài)，將圍巖變形分為低應力狀態(tài)下圍巖彈塑性變形、高應力狀態(tài)下圍巖松動

5、變形和高應力狀態(tài)下圍巖蠕動變形，并根據(jù)不同的支護條件提出了相應的圍巖壓力分析方法，并分析了應力重分布后圍巖壓力的變化規(guī)律。
　　(3)煤層開采導致的第四系表土含水層疏排水將會引起管片結(jié)構(gòu)縱向發(fā)生不均勻沉降。針對斜井結(jié)構(gòu)建立了理論分析模型，提出了計算地層疏排水沉降引起管片結(jié)構(gòu)附加應力和變形的方法，確定基巖交界面處管片為最危險截面。煤層開采引起基巖含水層內(nèi)管片水壓力發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為:含水層疏排水導致水頭高度He降低;采動引起含水層

6、裂隙貫通導致水頭高度He升高;巷道圍巖條件改變導致水壓力折減系數(shù)β1改變。
　　(4)針對相似材料模型試驗中的煤系地層，提出了考慮尺寸效應修正關(guān)系的模型參數(shù)確定方法。對于水泥、石膏、碳酸鈣膠結(jié)相似材料，提出了以密度、彈性模量和單軸抗壓強度為指標的材料配比確定方法，并采用Python語言編制了計算腳本。發(fā)現(xiàn)了以水泥和石膏作為膠結(jié)材料，石英砂作為骨料的相似材料，在一定配比條件下遇水之后不會發(fā)生崩解，而是發(fā)生與巖石類似的軟化現(xiàn)象，仍具有

7、類似巖石的破壞形式，適用于模擬孔隙較發(fā)育的石灰?guī)r和砂巖。
　　(5)針對新街臺格廟礦區(qū)盾構(gòu)試驗斜井，上覆地層移動引起斜井縱向最大差異變形量為0.63mm/m，最小曲率半徑約為10000m，對管片安全性影響較小;應力重分布影響區(qū)域主要在采煤工作面前方50m，上方100m范圍內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)斜井管片受力方式屬于壓彎組合，應力隨采煤工作面的推進逐漸增大，管片安全性明顯降低，必須采取加固措施并留設足夠?qū)挾缺Ｗo煤柱才能保證斜井管片安全穩(wěn)定;第四