地下充水空间对隧巷工程的危害模拟与控制研究

论文摘要

在地下矿深部开采和深埋隧道建设中，常面临空区和岩溶等地下空间积水问题，而地下充水空间的存在，严重威胁隧巷工程的安全。开展地下充水空间对隧巷工程的危害模拟与控制研究，可有效预防突水灾害的发生，避免经济损失和人身伤亡，具有重要的科学意义和应用价值。本文根据地下水运动规律和水力学渗流原理，结合厂坝铅锌矿实际情况，运用FLAC3D数值分析软件，进行了厂坝矿某中段采空区及巷道掘进过程中围岩的稳定性分析计算，模拟了充水空区对巷道掘进过程的危害。研究了采空区充水情况下，巷道掘进过程中临界突水的安全距离，探讨了相关的水害防治措施和治理方法。主要研究内容和结论如下：（1）探讨了地下水对岩石的软化作用，并对岩石软化系数进行了分析，初步掌握了地下水对岩体的影响规律。对单一裂隙的流-固耦合问题进行研究，比较分析了裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四种数学模型，并指出了四种模型的优缺点。（2）根据厂坝铅锌矿的实际情况，建立了临近地下空间工程（如采空区）隧巷开挖过程的力学分析模型；进行了地下空区在无水情况下的稳定性分析，获得了空区形成后围岩力学特性变化规律；开展了巷道逐步开挖过程中对采空区的影响的研究，揭示了采空区围岩应力、应变及位移的变化规律。（3）针对采空区充水环境下，开展空区和隧巷工程稳定性分析研究，揭示了隧巷开挖过程与采空区之间的相互作用机理，获得了采空区积水情况下，临近区域围岩应力、应变及位移的变化规律。（4）通过对采空区无水与有水环境下的应力、应变、位移进行对比研究，分析其塑性区和应力变化情况，对防突厚度进行了预测，并提出了相应的水害防治技术措施和治理建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开展地下充水空间对隧巷工程的危害模拟与控制研究的目的及意义
• 1.1.1 矿山地下充水空间的危害性分析
• 1.1.2 地下充水空间对隧道工程的危害
• 1.2 地下充水空间对隧巷工程的危害模拟与控制研究现状综述
• 1.2.1 矿山地下充水空间的危害与控制研究述评
• 1.2.2 隧道工程中地下充水空间的危害与控制研究发展现状
• 1.3 本文研究的技术路线和主要内容
• 1.3.1 研究的技术路线
• 1.3.2 研究的主要内容
• 第二章 地下充水空间工程渗流有限元分析理论研究
• 2.1 渗流的基本理论
• 2.1.1 达西定理
• 2.1.2 连续方程
• 2.1.3 基本微分方程
• 2.1.4 定解条件
• 2.2 地下水对岩体的影响
• 2.2.1 对岩石的软化作用
• 2.2.2 对软化系数的讨论
• 2.3 裂隙岩体流固耦合分析
• 2.3.1 单一裂隙流固耦合研究
• 2.3.2 单裂隙渗流与应力耦合研究
• 2.3.3 裂隙岩体渗流与应力耦合分析的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 空区环境下隧巷工程开挖过程稳定性分析
• 3.1 工程概述
• 3.1.1 概况
• 3.1.2 矿区地质
• 3.1.3 矿床水文地质条件
• 3.2 FLAC3D基本原理
• 3.3 空区环境下开挖隧巷工程的稳定性分析
• 3.3.1 计算方案设计
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.3.3 最大主应力变化规律
• 3.3.4 水平应力变化规律
• 3.3.5 塑性区变化规律
• 3.3.6 位移变化规律
• 3.3.7 垂直应力变化规律
• 3.3.8 剪应力变化规律
• 3.4 本章小结
• 第四章 充水空区环境下隧巷开挖的安全性分析与过程模拟
• 4.1 充水空区环境下开挖隧巷工程的过程模拟研究
• 4.1.1 计算方案设计
• 4.1.2 最大主应力的变化规律
• 4.1.3 水平应力变化规律
• 4.1.4 塑性区的变化规律
• 4.1.5 位移变化规律
• 4.1.6 垂直应力变化规律
• 4.1.7 剪应力变化规律
• 4.2 充水空区环境下开挖隧巷工程的安全性分析
• 4.3 空区无水环境与充水环境下模拟结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 地下充水空间的危害控制技术研究
• 5.1 矿坑突水预测模型
• 5.1.1 基于 GIS的矿井突水预测
• 5.1.2 灰色理论预测模型
• 5.2 岩溶突水的预防原则
• 5.2.1 临界距离原则
• 5.2.2 超前地质预测预报
• 5.2.3 信息化施工原则
• 5.3 防治措施及治理建议
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果