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原文传递施工车辆动荷载下含瓦斯煤岩体损伤规律研究

论文题名：	施工车辆动荷载下含瓦斯煤岩体损伤规律研究
关键词：	隧道失稳;瓦斯涌出;施工车辆;振动荷载;围岩稳定性;数值模拟
摘要：	隧道内含瓦斯煤系地层的损伤危害性极大，有可能造成隧道围岩失稳、瓦斯涌出或突出等灾害，造成大量人员受伤或者死亡。如果隧道出现安全问题，车辆振动荷载就会破坏隧道围岩原有的结构，打破隧道原有的稳定性，使隧道失稳、甚至坍塌，造成人员伤亡，还会阻碍救援队的及时救援，造成极大的人员伤亡，同时消耗大量的人力、物力资源。由此可见，在隧道特殊的工程环境下，车辆振动荷载的动力扰动对建设期和运行期的瓦斯隧道均有着重要的影响作用。因此，掌握车辆振动荷载对隧道瓦斯煤系地层的扰动规律及其致灾机理对于指导瓦斯隧道设计施工与安全运行具有极其重要作用。　　本文研究了在施工车辆振动荷载下含瓦斯煤岩体损伤规律，主要应用理论分析、数值模拟以及工程实践共同作用的形式，主要研究了含瓦斯煤岩体系隧道围岩结构的动力响应及其围岩损伤特征，主要研究结果如下：　　（1）建立了车辆振动荷载作用下含瓦斯煤岩体系应力场与瓦斯流动场耦合数学模型，在有效应力原理的基础上，建立隧道煤岩体变形场方程，同时根据气体质量守恒方程，考虑到瓦斯渗流的特征和性能及瓦斯气体的动态方程，推导出煤岩体瓦斯渗流场方程。同时也研究了煤岩体损伤方程，得出了影响煤岩体损伤的几个重要参数，比如瓦斯气体含量、气体密度等。　　（2）基于COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件，本文通过固体力学模块（solid）和达西定律模块（dl）进行流固耦合的方法，建立了车辆振动荷载作用下含瓦斯煤岩体系在隧道过煤段围岩损伤的研究模型。并且从中提取了应力应变云图、总位移云图以及相对应的总位移与时间的关系曲线图、塑性应变与时间的关系曲线图。　　（3）基于车辆振动荷载作用下含瓦斯煤岩体系在过煤段围岩损伤的数值模型，研究了施工车辆载重、施工车辆行车速度、施工车辆振动荷载施加次数三个因素对含瓦斯煤岩体系对围岩损伤的影响，结果表明：随着施工车辆载重的增加，煤岩体的总位移和塑性应变都在同步增加，最后趋于某一个稳定值；相对于施工车辆载重对煤岩体损伤的影响，施工车辆行车速度对煤岩体损伤的影响不大，但是也不可忽略，施工车辆行车速度越大，总位移和塑性区也在不断的增大，只是行车速度越大，增幅就越小；随着施工车辆振动荷载施加次数的增大，总位移和塑性区也在增大，最后趋于某一稳定；　　（4）同时也探讨了在相同的工况下，施工车辆动荷载作用下煤层与岩层的损伤差异以及不同地层深度情况下，车辆振动荷载对煤岩体损伤的演化规律，结果表明:煤层中的损伤程度要比岩层中的损伤大；随着地层深度的增加，煤岩体的损伤在不断的减小，而且损伤幅度越来越小。　　（5）对松坎隧道的地形位置、水文地质条件和岩土体地质特征（包括岩体工程地质特征和煤层参数）等方面进行了分析。通过监控量测煤层附近断面的拱肩水平收敛值和拱顶下沉量来判断含瓦斯煤岩体系隧道围岩的稳定性。
作者：	王荣荣
专业：	安全工程
导师：	黄飞;黄小亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南科技大学
学位年度：	2022