摘要 近年来,全断面岩石掘进机(W下简称TBM)在水利、交通、城市轨道交 通等工程领域得到广泛应用。由于煤炭矿山水文与工程地质条件复杂,国内少有 TBM在该行业工程应用与研究的报道。随着我国煤炭浅部资源的枯竭,千米深 井日益增多,传统矿山法已无法满足高地压、高地温环境下安全、快速施工岩石 巷道的要求。因此,将TBM工法运用到煤矿深井巷道施工不失为一条有效的技 术途径。 本文W我国首例采用TBM施工全断面岩巷——淮南张集北矿1413A高抽巷 为工程背景,基于TBM工法和煤矿深井巷道工程地质持点,针对煤矿深井巷道 中运用存在的基础理论与关键技术问题,采用理论分析、数值模掛及在实际施 工现场进行信息化施工监测等综合方法,从理论与技术角度对其可行性进行了深 入研究。 首先,从剖析TBM破岩结构入手,分析了其破岩与掘进能力;基于TBM 施王掘进过程中的滚刀破岩理论W及实际受为情况,对高地压硬岩环境下療刀破 岩适应性进行了深入分析;根据岩石切削扩展模型,运用岩石断裂力学理论,揭 示滚刀作用下岩石的裂纹扩展规律,并取得了有益成果。 其后,利用数值模拟软件FLAC-3D对张集北矿1413A高抽巷运用TBM施 工的过程进斤数值模拟,分析了TBM施王过程中的巷道围岩应力及围岩塑性区 的大小,探讨了使用TBM施工时的巷道围岩稳定性问题;此外,在实际的施工 现场进行了施工信息化监测,对围岩的收敛变形及支护错杆的受力情况进行了监 测,通过将监测结果与数值模拟结果的对比分析,优化了巷道围岩的支护结构并 得到了TBM在煤矿深井巷道中运用的可斤性结论,并得到工程验证。 图50表6参67 关键词:TBM;煤矿巷道;滚刀;破岩机理;FLAC-3D 分类号:Tm65 I 摘要 Abstract Nowadays,TBMhasbeenwidelyusedi打waterconservancy,transportation, urbanrailtransitandotherengineeringfileds.Becauseofthecomplexityofthecoal minehydrologyandengineering呂eologyCO打ditio打,reportsoftheapplicatio打and researchofTBMi打thisfiledareveryfew.Withtheshallowdepletionofcoal resourcesinourcountry,thekilometerdeepwellareincreasing,traditionalmining me也odaregoingtobeunable化satisfy化esafetyandrapidlyconstructionofrock tunnelrequirementsinthishighpressureandt;emperatureenvironme打t.Therefore, applyin呂theTBMmethodtomi打etunnelconstructio打becametobeagoodchoice. I打thispaper,underthebackgroundofourcountry's打rstcaseofftillfacerock tunnelCO打strucbdbyTBMinHuai打anZhangji1413Apumpinglane,basedonthe me化odofTBMandengineeri打呂geologicalcharaderisticsofcoalminedeeptunnel, focusontheexistedbasictheoryandkeyt;echnologyproblemofapplyingTBMinto theconstructionofdeepcoalminetunnel,thetheoreticalanalysis,numerical simulationandinformationconstructionmonitoringmethodweretakeninto considerationtoresearch也efeasibilityofthismethod. First,weanalysisedtheTBMrockbreakingstructure,analyzedits^forcingand rockbreaki打gability;basedontherockbreakingabilityandactualstressofthehobin theprocessofTBMtunneling,rockbroke打adaptabilityofTBlVTscutterunderthe environmentofhardrockandhighpressureareanalyzed.Accordingtotherock cutti打gpropagationmodel,using也e化eoryofrockfracturemechanics,化erockcrack propagatio打rulesundertheactio打ofhobarerevealed,goodresultsareachieved. Thereafter,byusing化esoftwareofFLAC-3D,thenumericalsimulatio打ofTBM constructionprocessin1413Apumpi打glanewasbuilt.Throughitweanalyzedthe stressandsizeofplasticzoneofthesurroundingrockundertheprocessofTBM constructiontunnel,exploredthesurroundingrockstabilityproblemofthetunnel whenusingTBM.Besides,theCO打structio打informationmonitoringweretakeninthe actualconstructionsite,convergencedeformatio打ofsurroundingrockandanchor stre巧weremonitored,throurhthecomparationandanalysisofmonitori打gresultsand numericalsimulationresults,weoptimizedthesupportingstructureofthetunners surroundingrockandobtainedthefeasibilityconclusionofapplyingTBMintodeep III 安徽理工大学硕±学位 coalminetunnel,ancHthadbeenverifiedbyeiigineeringexperience. Figure50table6reference67 Keywords:tbm,coaltunnel,disccutter,rockbreakingmechanism,flac-3d Chine化bookscatalog:TD265 IV 目录 目录 摘要I ABSTRACTIH 胃录V CONTENTSVII 1绪论1 1.1选题背景及研究意义 1 1.2国内外研巧现状 4 1.3现阶段研究成果与不足 7 1.4课题主要研究内容 7 2试验项目工程背景概况 9 2.1矿井概况 9 2.2试验巷道所处地层岩性分析 10 2.3试验巷道处地应力场测量 13 2.3.1地应力测量方法——应力解除法 13 2.3.2地应力测试结果分析 18 2.4小结18 3TBM施工时的机械能力保证研究 19 3.1TBM破岩机构简介 19 3丄1TBM破岩掘进的关键——刀具(结构) 19 3丄2刀盘 20 3丄3TBM破岩结构形式 21 3.2TBM基本功能简介 .23 3.3TBM工作能力的保证 24 3.3.1TBM破岩能力的保证 24 3.3.2TBM绝进能力的保证 ;26 3.4TBM工作时的优缺点分析 27 3.4.1TBM优点分析 27 3.4.2TBM缺陷分析 28 V 安徽理工大学硕±学位 3.5工程施工设备的选择及使用 29 3.5.1实脉项目设备的选择 29 3.5.2TBM掘进施工流程 30 4TBM施工时的岩石可掘性研巧 33 4.1TBM作用下的岩石失效理论 33 4丄1TBM作用下岩石破坏机理 34 4丄2TBM作用下的岩石受力分析 37 4.2TBM作用下的岩石开裂及裂纹扩展机理 39 4.2.1岩石的开裂及裂纹扩展过程 39 4.2.2TBM作用下的岩体裂纹扩展规律 41 4.3小结44 5煤矿巷道应用TBM掘进过程的数值模拟 45 5.1工程概况45 5.2数值模巧软件——FLAC-3D简介 46 5.3材料本构模型选用 48 5.4计算参数的试验测定 49 5.5数值计算模型的建立与分析 51 6TBM试验段信息化施工监测 巧 6.1围岩收敛变形的监测结果分析 59 6.2支护错杆的受力监测结果分析 61 6.3小结61 7结论与展望63