煤炭资源是我国的主要矿产资源,随着煤炭开采高度集中化的矿井群和特大型煤炭基地发展的需求,对煤炭开采提运系统提出了新的要求,其中井筒结构作为煤炭提运系统的“咽喉”部位,其安全高效运行是煤矿开采作业的关键。目前,我国在西部地区已经建成了大型煤矿开采基地,矿井多采用斜井或斜井与立井联合提运方式,斜井穿越的地层多以砂岩地层为主,具有厚度大,岩层软弱,胶结性差,软化性强,富水性强等特点,在煤矿开采作业下斜井井筒受地层沉降会发生“随动现象”,且受地层固结压缩会产生“围抱”作用在斜井井壁上产生附加应力,对斜井井筒安全服役带来隐患。论文依托《煤层开采对斜井管片结构稳定性影响规律研究(课题编号:2013BAB10B06)》国家科技支撑计划项目,以神华集团新街台格庙煤矿盾构法掘进斜井工程为背景,以地层疏干排水效应对井筒外壁产生向下的竖直附加力致使井壁结构发生破裂事故为启示,首先通过室内岩石物理与力学试验分析,构建了砂岩压缩变形与水头压力降之间的函数关系,提出了含水地层排水沉降计算方法;其次通过理论计算建立了斜井井筒变形的微分方程和斜井管片受力及变形的解析计算方法;论文进一步研究了流固耦合相似模型试验方法,建立了多孔隙含水砂岩地层的模型试验方法,模拟了深厚富水砂岩地层疏干排水产生的地层沉降及对斜井结构的影响;最后通过数值模拟方法研究了富水砂岩地层在疏干排水前后斜井管片结构上的附加应力增量,计算了斜井管片结构安全系数的变化;论文通过研究斜井穿越深厚富水砂岩地层疏干排水产生的地层沉降及不同含水层差异沉降效应导致的斜井变位及管片结构受力状态变化规律,取得了如下的研究成果:(1)通过岩石微观分析和物理力学试验分析,证明了白垩系和侏罗系砂岩为多孔隙非致密类岩石,且具有固结压缩特性,通过砂岩排水固结试验得出了白垩系和侏罗系砂岩压缩变形与水头压力降之间的指数函数关系,并以此为基础构建了白垩系和侏罗系砂岩含水地层排水沉降计算方法,通过对比流固耦合数值模拟和线弹性理论计算结果,论文提出拟合公式计算方法考虑地层各力学参数随水头压力消散的变化性,更为合适计算砂岩含水层排水沉降。(2)基于弹性地基梁理论,构建了表土含水地层和基岩含水地层盾构斜井管片结构受非均布荷载的弹性地基梁模型,推导了斜井结构变形的微分方程,根据斜井变形微分方程结合斜井管片等效连续化刚度模型,将螺栓作为持力节点,推导了斜井管片受力及变形的解析计算方法,在砂岩地层排水沉降计算方法基础之上,利用推导出的公式计算了斜井井筒变位以及作用在管片结构上的附加应力,评价了管片结构的安全性。(3)研制了基于大尺度模型试验加载系统下的流固耦合模型试验台,并进行了深厚富水砂岩地层疏干排水产生的地层沉降及对斜井结构的影响相似模型试验,通过试验发现了斜井穿越深厚富水砂岩地层疏干排水产生的地层沉降及不同含水层差异沉降规律,以及因地层沉降导致斜井截面各处纵向和环向附加弯矩和轴力变化规律,通过安全系数评价方法计算了排水前后斜井管片结构截面的安全系数。(4)以砂岩地层排水沉降为边界条件,采用数值模拟方法分析了盾构斜井穿越白垩系含水层和侏罗系含水层疏干排水作用下地层沉降引起的斜井变位,以及作用在斜井管片上的附加应力和附加弯矩,通过基于最大、最小主应力对管片横向和纵向的综合应力叠加后分析,计算了排水前后斜井管片结构截面的安全系数,得出了斜井管片混凝土主要以受压控制,管片最不利为含水层中的拱腰处。(5)通过对比斜井管片受力及变形的理论计算方法、相似模型试验方法和数值模拟方法结果,验证了三种研究方法在斜井结构整体变形规律、附加应力与附加弯矩变化规律的一致性,得出了白垩系含水层和侏罗系含水层排水后斜井整体变位曲率半径都在在10~5m,同时在斜井纵向方向上会产生附加弯矩和轴力,其中,附加弯矩增量均大于附加轴力增量,且附加弯矩在拱腰处增量最大。