过水巷道围岩稳定性模型试验研究及数值模拟

作     者：周梓燚 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李剑光

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：模型试验 收敛变形 过水巷道 巷道围岩稳定性 流固耦合 

摘      要：岩体是自然生成的地质介质,结构形式多样,赋存条件复杂,在岩体中进行的各类采掘活动和地下工程必然受到其所处地质环境的影响,地下水是地下工程中必须要面对和解决的关键问题之一,各种水源的存在以及渗透通道,在特殊条件触发下,会形成大规模的水害事故,淹井伤人,毁损设备,围岩过水对巷道的稳定性造成极其不利影响。因此,研究过水巷道围岩稳定性具有重要工程意义。本研究侧重于室内试验研究,同时结合数值模拟进行验证和拓展,分析了巷道埋深、过水高度和过水时间,对过水巷道围岩稳定性影响规律,进一步丰富了涉水巷道围岩稳定性研究,具有一定的指导意义及理论价值。主要的研究内容、方法、结果和结论如下:(1)基于正交实验设计方案,开展了L16(4)的流固耦合相似材料的物理力学特性及水理特性试验,获得了不同组合下相似材料的抗压强度、弹性模量、吸水率、软化系数、渗透系数、抗拉强度和密度的试验数据,揭示了石英砂含量、水泥:石膏及有机硅浓度等因素对材料力学特性的影响规律,并得出了流固耦合相似材料的多元线性回归方程;结合模型架尺寸、相似三定理及Matlab超定方程组求解,确定了试验相似材料配比为:石英砂=81.32%、水泥:石膏=1.38:1、有机硅浓度=31.6%。(2)针对过水巷道围岩稳定性开展模型试验,设计巷道埋深、过水高度和过水时间3个影响因素的L9(3)正交试验,研究了巷道开挖的应力和位移变化规律,以及各因素在巷道过水期间和巷道过水后一定时间内的应力和位移变化规律。得出巷道过水高度对巷道围岩稳定性影响大于过水时间,大于埋深对巷道围岩稳定性影响的结论。(3)运用Midas GTS NX数值模拟软件,建立了巷道开挖的三维数值计算模型和过水巷道的二维数值计算模型,分析了巷道开挖过程中,随着开挖步的应力和位移变化规律,以及巷道过水期间和巷道过水后一定时间的巷道围岩稳定性。得出巷道过水期间,过水高度对巷道围岩稳定性的影响埋深过水时间对巷道围岩稳定性的影响;巷道过水后一定时间内,过水高度对巷道围岩稳定性的影响过水时间埋深对巷道围岩稳定性的影响。