益新矿混合竖井井筒垮塌机理研究

论文摘要

本课题研究以2004年10月发生在黑龙江省鹤岗市鹤岗矿业集团益新矿混合井竖井塌落井筒工程加固为背景,采用数值分析技术和优化理论进行了较为详尽的研究与探索。本课题研究主要工作及创新如下:(1)根据复杂的塌落体模型构造,利用ANSYS强大的后处理功能和FLAC3D在岩土工程应用方面的优点,编制基于ANSYS界面的FLAC3D塌落体生成程序,利用这个工具建立了塌落体的三维几何数值模型。根据计算结果对岩体的力学状态进行分析与判断。(2)运用量纲分析方法分析并推导出不同形式的裂隙渗水压力对井筒井壁围岩的影响。结合数值模拟,提出无水压力和垂直破裂面裂隙水压力作用下导致井筒井壁围岩失稳破裂直至冒落垮塌的岩体结构效应,而岩体结构控制着井筒的塌落形式,量纲分析法可以很好的描述含水结构面井筒井壁失稳过程中所产生的块体滑移、倾倒现象,以及应力分布的不均匀性。在考虑岩体结构性方面,量纲分析方法比其他方法更为合理。(3)基于井筒井壁围岩所表现出的流变性和软岩的特征,编制相应的程序,改进FLAC3D中Burger’s蠕变模型,就蠕变在井筒垮塌过程中所起的潜在诱导和破坏作用进行数值模拟研究。对比FLAC3D岩体弹塑性模型与改进burger’s蠕变模型后的数值模拟计算结果可得,在时间t=0时,岩体某关键点处弹塑性横向位移为3.57mm,而考虑改进的蠕变模型位移为4.25m,增加了19.1%,弹塑性纵深向位移为7.85mm,而考虑改进的蠕变模型纵深向位移为10.07mm,增加28.3%,弹塑性竖向位移为13.62mm,而考虑改进的蠕变模型竖向位移为19.74mm,增加44.9%。这表明改进蠕变模型后计算得到的结果更加精确,能够比较准确的反映井筒井壁失稳垮塌受蠕变影响的机理。因此对本井筒垮塌部位井壁围岩蠕变的研究意义十分重要。(4)基于煤矿竖井井筒围岩内夹有一定的降至残余强度或接近残余强度值的泥化夹层,将支持向量机理论引入井筒垮塌区进行研究。运用支持向量机方法对该工程背景的泥化夹层残余强度进行预测。利用Matlab优化工具箱方便快捷解矩阵方程的功能,编制相应优化方程的Matlab程序,用机器学习的方法建立泥化夹层的残余强度与其各种影响因素之间的非线性支持向量机关系,预测新的泥化夹层残余强度。结果表明,SVM方法预测值精度较高,相对误差小,可为本课题研究背景下深竖井筒在垮塌前后复杂岩体的作用机理认识上提供更加有效的判断。井筒围岩软弱泥化夹层对井筒井壁围岩的失稳垮塌起到了潜在的破坏作用。因此对其研究有比较重要的意义。两类泥化夹层残余强度的精确预测,特别是对残余强度相对较低的粘土类泥化夹层的精确预测,对于垮塌井筒的支护加固都有一定的参考和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 问题的提出及研究意义
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 竖井井壁的破坏特征
• 1.1.2 破坏机理假说
• 1.2 课题来源及研究意义
• 2 文献综述和井筒变形数学模型以及井壁破裂原因简介
• 2.1 国外煤矿竖井井筒井壁破裂和垮塌机理及加固研究现状
• 2.2 我国煤矿竖井井筒井壁围岩破裂和垮塌机理及加固研究现状
• 2.3 理论分析
• 2.3.1 井筒变形数学模型的建立
• 2.3.2 竖井井筒摩擦力分析
• 2.3.3 温度应力分析
• 2.3.4 岩石软弱面结构分析
• 2.4 本文所做主要工作
• 3 益新煤炭公司及混合井井筒垮塌与工程恢复施工工艺简介
• 3.1 工程背景及矿区水文地质概况
• 3.1.1 工程背景
• 3.1.2 矿区地层地貌及水文地质
• 3.2 混合井井筒及垮塌部位概况与整个工程恢复施工工艺简介
• 3.2.1 井筒冒落加固设计依据及原则
• 3.2.2 处治方案实施阶段划分
• 3.2.3 塌落体锚注施工
• 3.2.4 井筒塌落体以上井壁补碹施工措施
• 4 益新矿混合井塌落井筒数值模型建立及量纲分析
• 3D数值模型'>4.1 建立基于ANSYS 界面的FLA^3D数值模型
• 4.1.1 软件简介
• 4.1.2 难点分析与计算模型设计
• 4.1.3 理论依据及本构模型
• 4.1.4 破坏准则
• 4.1.5 模拟计算过程
• 4.1.6 计算结果及井筒垮塌后的力学状态分析
• 4.2 竖井井筒受渗水作用并失稳垮塌的量纲分析与岩体结构效应研究
• 4.2.1 量纲分析方法简介
• 4.2.2 矩阵法量纲分析及其在井筒井壁垮塌受力分析中的应用
• 4.2.3 量纲分析
• 4.2.4 岩体结构效应
• 4.3 小结
• 5 井筒围岩软弱夹层蠕变对井筒垮塌的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 蠕变及其特征
• 5.2.1 蠕变
• 5.2.2 蠕变特征
• 5.3 基于改进Burger’s 蠕变模型作用下导致井筒围岩垮塌研究
• 5.3.1 经典粘弹性（Maxwell）体
• 5.3.2 改进的Burger’s 粘塑性蠕变模型
• 5.3.3 本研究数值模型所用到的井筒井壁应力分析公式
• 5.4 蠕变对井筒围岩垮塌影响的数值实现
• 5.4.1 数值计算模型
• 5.4.2 关键点蠕变研究
• 5.5 小结
• 6 井筒围岩泥化夹层残余强度的支持向量机预测
• 6.1 泥化夹层的概念及经验公式
• 6.1.1 泥化夹层
• 6.1.2 泥化夹层残余强度的经验公式
• 6.2 支持向量机
• 6.2.1 支持向量机的基本原理
• 6.2.2 支持向量机学习算法的步骤
• 6.3 预测模型的建立
• 6.3.1 构造泥化夹层残余强度的SVM 模型
• 6.3.2 两类泥化夹层残余强度的SVM 预测
• 6.4 预测结果分析及泥化夹层对井筒井壁围岩稳定性的影响
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 改进的Burger’s 蠕变模型主程序
• 附录B 塌落体生成程序部分输出数据
• 在学研究成果
• 致谢