斜井穿越流砂层井壁变形与承载特性研究.pdf

硕士学位论文 斜井穿越流砂层井壁变形与承载特性研究 Study on the Deation and Bearing Behavior of the Wall with Inclined Shaft Cross Flow Sand 作 者李向阳 导 师韩立军 教授 中国矿业大学 二〇一四年五月 万方数据 中图分类号 TD262 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公 开 中国矿业大学 硕士学位论文 斜井穿越流砂层井壁变形与承载特性研究 Study on the Deation and Bearing Behavior of the Wall with Inclined Shaft Cross Flow Sand 作 者 李向阳 导 师 韩立军 教授 申请学位 工学硕士学位 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 岩土工程 研究方向 岩土力学与支护工程 答辩委员会主席 朱珍德 评 阅 人 朱珍德 陈坤福 二〇一四年五月 万方数据 93 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文斜井穿越流砂层井壁变形与承载特性研究 ，是 本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。据我所 知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的 部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案 馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、 图书馆等场所或在校园网上供校 内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 李向阳 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完 成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相 关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本文的研究工作是在导师韩立军教授的悉心指导下完成的， 论文的选题基于导师负 责的项目 “李家坝煤矿斜井井筒过流砂层技术研究” 。在本论文完成之际，由衷感谢这 3 年来给予我支持和帮助的老师们、同学们、朋友们以及我的家人。 感谢导师韩立军教授，在 3 年的研究生生涯中对我的谆谆教诲。在硕士研究生学习 和撰写学位论文的过程中，无论课程学习、论文选题，还是论文撰写的各个环节，都倾 注了导师的智慧和心血。同时在生活中，给予了很大的帮助。值此论文完成之际，学生 向恩师致以诚挚的谢意 感谢蒋斌松教授、邵鹏教授、陈坤福副教授、王迎超副教授等在论文选题时给出了 许多宝贵的意见和建议，为论文的顺利进行提供了帮助，在此，表示衷心的感谢 感谢宁夏李家坝煤矿张华清总工程师以及其他领导与工程技术人员在工程实践期 间给予的帮助与支持，为本论文的顺利完成奠定了坚实基础。对提供帮助和支持的其他 单位和个人在此一并表示感谢 感谢孟庆彬博士师兄在论文写作中给予的指导和建议，在此，表示感谢 感谢课题组同门同学杨灵、范加冬、冯伟、齐彪、任光柱、张帆舸等，是你们陪我 度过了这段最难忘的时光，感谢你们在学习和生活中给予的关心和帮助 感谢师弟石高鹏、冉军林、文圣勇等在我论文现场实测与其他环节中给予的帮助， 同时感谢在研究生学习阶段，每一个帮助过我的人，在此衷心感谢你们 感谢我的室友及好友白东峰、孙猛、陈连伟、刘相如、李灿辉、邹长磊、汪平生、 麻智宏、刘先观等，是你们陪我度过了我最精彩最难忘的研究生阶段，感谢你们给我带 来的快乐 感谢父母的养育之恩，感谢你们多年来无私的奉献,对我的大力支持，才让我取得 今天的成绩，在此衷心的祝福你们身体健康，我会在未来的工作中以积极的态度来回报 你们的恩情。感谢我的弟弟给我学习和生活上的支持，是你的鼓励以及在我求学之路上 对我的大力支持，才使我能够顺利的完成学业。非常感谢你们 谨以此文献给帮助我、支持我、陪伴我及理解我的亲人和朋友们 万方数据 I 摘摘 要要 为满足我国西部地区流砂地层中斜井井筒建设的需要， 本文以宁夏地区李家坝煤矿 斜井井筒过流砂层施工为工程背景，根据该矿区流砂地层的工程与水文地质及斜井井壁 结构的特征，通过室内试验、数值模拟以及现场实测等研究方法相结合，开展了斜井穿 越流砂层井壁变形与承载特性的研究，获得了一些研究成果，不仅对斜井井筒的安全施 工具有实用的指导意义，而且可以为特殊地层中斜井井壁结构的设计提供理论依据。 论文研究获得了以下主要成果 （1）根据李家坝煤矿流砂地层的地质力学特性，分析了流砂的特点及形成条件。 结合室内试验研究了不同含水率同一砂土的抗剪强度特征，获得了砂土抗剪强度、粘聚 力及内摩擦角随含水率的变化规律。另外，归纳总结了影响斜井井壁稳定性的因素。 （2）采用FLAC3D数值软件，通过建立大型三维数值模型，研究了不同流砂层厚度、 运营荷载及注浆加固作用对流砂层与斜井井壁之间相互作用的影响规律， 获得了各个影 响因素下地层与斜井井壁结构的变形与受力特征、地层沿不同路径的位移与受力变化规 律、 井壁不同典型点处的位移与环向应力变化规律及沿井壁内外缘路径井壁的变形与受 力分布特征，掌握了斜井井壁与流砂层相互作用规律。 （3）将井壁作为梁单元，通过建立二维数值计算模型分析了井壁结构的内力承载 特性，获得了井壁的内力分布特征及地层压力、底拱半径与边墙高度对井壁内力分布的 影响规律；通过建立钢筋混凝土三维整体式有限元模型，深入研究了井壁的极限承载特 性，获得了井壁极限承载力与混凝土强度、井壁厚度、边墙高度、底拱半径及配筋率之 间的规律。 （4）结合科研项目“李家坝煤矿斜井井筒过流砂层技术研究” ，根据李家坝煤矿特 殊含水流砂层的工程概况， 选择了型钢网喷二衬钢筋混凝土结构支护方式并通过承载 性能验算获得了井壁结构参数，然后通过开展井壁受力与变形现场实测研究，得到了型 钢和地层及井壁之间的接触压力、钢筋受力、井壁变形及衬砌后水压力的变化规律。 研究结论可为宁夏李家坝矿区后期井筒以及类似条件下的国内其他流砂地层斜井 井筒设计和施工提供参考。 该论文有图71幅，表40个，参考文献115篇。 关键词关键词斜井；井壁；流砂层；变形模式；承载特性。 万方数据 III Abstract In order to meet the needs of the inclined shaft construction with flow sand ation in the western region of China, based on the engineering background of Li Giaba coal inclined shaft construction through flow sand layer, according to engineering and hydrologic geology of the flow sand ation in the mining and the features of inclined shaft lining structure, through the combination of indoor experiment, numerical simulation and field measurement, the research of deation and bearing characteristics of wall with inclined shaft through flow sand ation was conducted, some research results wre obtained which not only has practical guiding significance in the inclined shaft construction safely, but also can provide theoretical basis for the design of inclined shaft lining structure in the special strata. Through the thesis we got many findings and conclusions such as 1 According to the geomechanical properties of flow sand strata of Li Giaba coal, by access to literature referring to the flow sand ations engineering characteristics and ation conditions of flow sand was analysised. Combined with laboratory experiments, the shear strength characteristics under different moisture content in the same sand was resarched, the variation of shear strength , cohesion and internal friction angle variation with moisture content were obtained. In addition, the factors affecting the inclined wellbore stability was summarized. 2 Useing the numerical software FLAC3D, through the establishment of large-scale three-dimensional numerical model, under the influence of the different thickness of flow sand, the operator loads and influence of grouting effect, the interaction between convection and the inclined wall of sand were studied, deation and force characteristics under various factors ations, ation of displacement and stress along different paths variation, characteristics of deation and force of inclined wall structure, displacement and hoop stress variation of typical points of different wall and deation and stress distribution characteristics along the edge of the path and outside wall were obtained. Interaction law of inclined wall and flow sand strata was sastered. 3 The wall as a beam element, through the establishment of two-dimensional numerical calculation model for analyzing the internal force bearing characteristics of the shaftlining structure, the internal force distribution characteristics of borehole wall and the ation pressure, bottom arch radius and Side-wall height on the influence law of internal force distribution of shaft wall were getted; Through the establishment of three-dimensional monolithic reinforced concrete finite element model, the ultimate bearing characteristics of shaft wall was further studied, the laws between the ultimate bearing capacity of shaft wall 万方数据 IV and the strength of concrete, wall thickness, wall height, bottom arch radius and the reinforcement ratio were getted. 4 Combined the project Technology research of inclined shaft through flow sand ation of Li Giaba coal‖, according to the project overview of special water containing sand of Li Giaba coal, supporting way of steel and reinforced concrete structures was chosed and wall structure parameter was obtained through checking bearing capacity. and then through the field test of stress and deation of wall, the variation of contact pressure between the steel and ation, contact pressure between the steel and the wall, reinforcement force, wall deation and water pressure has been the contact pressure between the contact pressure and ation of steel, steel and the wall between the reinforcement force, wall deation and changes of water pressure after linin were obtained. Research conclusion can afford ination and services for latter designs, constructions of Li Jiaba mning as well as similar condition about other flow sand ation inclined shaft in China. Keywords inclined shaft; wall; flow sand strata; deation mode; bearing features 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................................... ⅠⅠ 目目 录录 ........................................................................................................................................... ⅤⅤ 图清单图清单 ........................................................................................................................................... ⅨⅨ 表清单表清单 ....................................................................................................................................... ⅩⅢⅩⅢ 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................................... ⅩⅦⅩⅦ 1 绪论绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................... 2 1.3 研究内容与技术路线 ............................................................................................................ 7 2 流砂地层基本特性与力学性质分析流砂地层基本特性与力学性质分析 ....................................................................................... 9 2.1 概述 ......................................................................................................................................... 9 2.2 李家坝表土层地质力学特征................................................................................................ 9 2.3 流砂层基本特性分析 .......................................................................................................... 11 2.4 不同含水率下砂土抗剪强度特征分析 ............................................................................. 12 2.5 斜井井壁稳定性影响因素分析 ......................................................................................... 16 2.6 本章小结 ............................................................................................................................... 17 3 流砂层与斜井井壁相互作用流砂层与斜井井壁相互作用规律规律研究研究 ................................................................................. 19 3.1 概述 ....................................................................................................................................... 19 3.2 数值计算模型....................................................................................................................... 19 3.3 模拟方案与参数取值 .......................................................................................................... 21 3.4 流砂层厚度的影响 .............................................................................................................. 23 3.5 运营荷载作用的影响 .......................................................................................................... 36 3.6 注浆作用的影响 .................................................................................................................. 39 3.7 本章小结 ............................................................................................................................... 51 4 斜井穿越流砂层井壁承载特性研究斜井穿越流砂层井壁承载特性研究 ..................................................................................... 53 4.1 概述 ....................................................................................................................................... 53 4.2 ANSYS程序有限元简介 ..................................................................................................... 53 4.3 斜井井壁承载内力特性数值分析 ..................................................................................... 53 万方数据 VI 4.4 斜井井壁极限承载力数值计算 ......................................................................................... 57 4.5 本章小结 ............................................................................................................................... 68 5 工程应用工程应用 ................................................................................................................................... 70 5.1 概述 ....................................................................................................................................... 70 5.2 工程概况 ............................................................................................................................... 70 5.3 主斜井井筒过流砂层井壁结构选择与承载性能分析 .................................................... 71 5.4 现场实测方案....................................................................................................................... 73 5.5 现场监测结果分析 .............................................................................................................. 75 5.6 本章小结 ............................................................................................................................... 82 6 结论与建议结论与建议 ............................................................................................................................... 83 6.1 主要结论 ............................................................................................................................... 83 6.2 建议 ....................................................................................................................................... 84 参参考文献考文献 ....................................................................................................................................... 85 作者简历作者简历 ....................................................................................................................................... 91 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .................................................................................................................. 93 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................................... 95 万方数据 VII Contents Abstract ........................................................................................................................................ ⅢⅢ Contents ........................................................................................................................................ ⅦⅦ List of figures ............................................................................................................................... ⅨⅨ List of tables ............................................................................................................................. ⅩⅢⅩⅢ List of variables ....................................................................................................................... ⅩⅦⅩⅦ 1 Introduction ................................................................................................................................ 1 1.1 Problem present ...................................................................................................................... 1 1.2 Present research status ............................................................................................................ 2 1.3 Main research problems and s ................................................................................... 7 2 The basic characteristics and mechanical properties analysis of flow sand strata.......... 9 2.1 Introduction ............................................................................................................................. 9 2.2 The geological mechanics characteristics of topsoil in Lijiaba ........................................... 9 2.3 The basic c