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水位下降诱发深厚表土层井壁破裂机理及治理效果模拟研究

作　者: 高杰
导　师: 王在泉
学　校: 青岛理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 立井井壁水位下降竖直附加应力 FLAC3D数值模拟井壁治理
分类号: TD262
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

深厚表土层立井井壁的破裂现象是一种特殊的矿山地质灾害。研究表明:矿山开采和人为疏水引发的井壁竖向附加应力是导致这一灾害发生的主要原因。因此,合理确定地下水位降低诱发的附加应力的大小对于分析、预测和评价井壁的安全状态有十分重要的意义。本文从井壁破裂原因和治理的角度,采用数值模拟软件FLAC^3D对水位下降过程中诱发的井壁竖向附加应力进行了分析研究,并在理论分析和现场实测资料分析的基础上,对井壁破裂的治理效果进行了数值模拟研究。本文的主要研究工作有:（1）基于深厚表土层井壁的实际工程地质及水文地质条件,建立井壁破裂的数值模拟计算模型。对于水位下降不同深度所诱发的竖向附加应力及井壁的应力应变状态进行了计算分析,并对井壁的破裂治理过程进行了研究,形成了一套有效的井壁破裂过程的数值模拟方法。（2）立井井壁附加应力随着埋深的增加而逐渐增大,在井壁破裂时达到最大值,其位置为底部含水层与基岩交界处附近。采用大型有限差分软件FLAC^3D,利用孔隙水压力的减小实现有效应力的增大,对水位下降分别为10m、20m、30m、40m、50m时的附加应力大小和井壁受力状态进行数值模拟计算分析,并运用第四强度理论对出现塑性变形的井壁危险部位进行强度校核。（3）深厚表土层井壁的破裂机理是采动和疏排水导致的水位下降过程中,引起土层与井壁相互作用产生的附加应力作用于外壁,使得立井井壁内部应力发生变化,从而引起立井井壁破裂现象的发生。井壁破裂最先发生在内壁,在附加应力作用下内壁最先达到塑性状态,然后扩展到外壁,从而导致立井井筒的破坏。（4）采用注浆加固地层和开设卸压槽两种数值模拟方法对井壁进行治理,治理结果表明:注浆加固地层和开设卸压槽可以有效缓解井壁的竖向应力,达到治理井壁的目的。（5）数值模拟结果与井壁治理前后监测结果对比表明:两者趋势较吻合,为井壁治理的评价提供一定的帮助。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-22
  1.1 问题的提出  10-11
  1.2 研究现状  11-19
    1.2.1 底含疏排水沉降理论和底含固结理论的研究  11-14
    1.2.2 含水层固结沉降引发井壁破坏的机理研究及治理方法研究  14-16
    1.2.3 土与结构相互作用的数值模拟研究  16-19
  1.3 尚待研究的问题  19-20
  1.4 本文研究的目的和意义  20
  1.5 本文研究的主要内容  20-22
第2章数值模拟方法  22-37
  2.1 FLAC~(3D)数值模拟软件简介  22
  2.2 FLAC~(3D)数值模拟方法的基本原理  22-28
    2.2.1 概述  22-23
    2.2.2 FLAC~(3D)数值模拟方法的优缺点  23-24
    2.2.3 FLAC~(3D)数值模拟方法的基本计算方法  24-28
    2.2.4 FLAC~(3D)数值模拟方法的分析过程  28
  2.3 FLAC~(3D)数值模拟方法的本构模型  28-31
  2.4 FLAC~(3D)流—固相互作用的数值计算方法  31-34
    2.4.1 概述  31
    2.4.2 FLAC~(3D)流—固相互作用数值计算的特点  31
    2.4.3 FLAC~(3D)流—固相互作用数值计算的参数问题  31-33
    2.4.4 FLAC~(3D)流—固相互作用数值计算的主要方法  33-34
  2.5 井壁与周围土体相互作用的数值模拟方法  34-37
第3章水位下降引发深厚表土层井壁破裂的数值模拟研究  37-58
  3.1 济宁三号煤矿工程地质和水文地质条件  37-41
    3.1.1 井筒概况  37-38
    3.1.2 第四纪松散层结构特征及地下水动态  38-41
  3.2 数值模拟计算的地质模型与数值模拟模型参数  41-43
  3.3 数值模拟中的边界条件及计算步骤  43
  3.4 数值模拟方法的模拟流程  43-45
  3.5 数值模拟计算结果  45-57
    3.5.1 自然条件下的数值模拟  45-46
    3.5.2 井壁与土体平衡状态的数值模拟  46-47
    3.5.3 水位下降对附加应力影响的模拟  47-49
    3.5.4 数值模拟结果分析  49-57
  3.6 本章小结  57-58
第4章地面注浆及卸压槽治理井壁破裂数值模拟  58-80
  4.1 井壁治理方法  58-60
  4.2 注浆加固井壁效果的数值模拟研究  60-69
    4.2.1 主井地面注浆方法及施工简介  61-63
    4.2.2 模型及计算参数  63-64
    4.2.3 注浆加固的数值模拟结果  64-65
    4.2.4 注浆加固模拟的结果分析  65-69
  4.3 卸压槽治理井壁效果的数值模拟研究  69-76
    4.3.1 副井井壁卸压槽的施工及模型参数  70-73
    4.3.2 卸压槽治理的数值模拟结果  73-74
    4.3.3 卸压槽治理模拟的结果分析  74-76
  4.4 注浆及卸压槽治理井壁的模拟效果与监测值比较  76-79
    4.4.1 主井地面注浆治理期间的监测及比较  76-78
    4.4.2 副井卸压槽治理后的监测及比较  78-79
  4.5 本章小结  79-80
第5章结论与展望  80-82
  5.1 主要结论  80-81
  5.2 展望  81-82
主要参考文献  82-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作  86-87
致谢  87

水位下降诱发深厚表土层井壁破裂机理及治理效果模拟研究

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