隧道爆破围岩应力变化过程中天然气运移研究

【摘要】：目前,对于隧道施工过程中天然气的研究和分析,主要集中在成因机制、爆炸危害以及防治技术上,对于隧道施工过程中天然气的运移理论却少有论及,因此,难以准确判断天然气的运移模式和聚集方向,给隧道施工带来严重的不确定性和危害性。本文结合玄真观隧道的具体资料,研究了隧道爆破以及围岩应力变化过程中岩体内产生裂隙的方式和范围,并且分析了隧道开挖过程中天然气的运移模式。 本文主要取得了以下几个方面的的成果： (1)利用勘察以及施工过程中获得的实验结果,分析了隧道的瓦斯级别,综合判定勘察期间隧道为低瓦斯隧道,施工过程中隧道为高瓦斯隧道。分析认为隧道瓦斯级别前后不一致的原因有三个：一是由于爆破作用在岩体中形成裂隙,岩体中的天然气通过裂隙进入隧道并聚集；二是由于围岩应力变化过程中产生了裂隙,岩体中的天然气通过裂隙进入隧道并聚集；三是由于岩层中的吸附气体在岩层物理环境改变时解析为游离气体进入隧道并聚集：最终使隧道成为高瓦斯隧道。 (2)根据隧道爆破资料,计算出爆破过程中围岩内产生裂隙的范围为504.7mm。根据爆破作用方向与围岩中节理面的关系,分析了围岩不同部位爆破裂隙的发育规模。得出：隧道拱顶和下部围岩中不易形成规模较大的裂隙,隧道左、右两侧围岩中容易沿节理形成规模较大的裂隙。. (3)利用有限元分析软件,对隧道开挖过程中围岩应力进行了数值模拟。模拟结果为：上台阶开挖后,隧道左、右两侧围岩中出现了压应力集中,而拱顶出现了拉应力；下台阶开挖后,隧道拱顶出现了压应力集中,而中、下部围岩中出现了拉应力。 (4)结合隧道爆破围岩应力变化过程中裂隙区产生方式和范围以及天然气运移规律,分析了隧道开挖过程中围岩内天然气的运移模式。研究认为：裂隙发育区内,赋存在岩体中的游离态天然气,在集中应力或分子扩散力或两种力的作用下,沿着裂隙向浓度较低或者压力较小的区域运移,运移速度较快或者很快；非裂隙区内,赋存在岩体中的游离态天然气,在集中应力或分子扩散力或两种力的作用下,只能通过地层中原有孔隙、节理向浓度较低或者压力较小的区域运移,运移速度较慢或者极慢。 (5)根据裂隙区岩石体积和岩石的储集物性计算出天然气溢出速度为1.99m3/min,根据回风中天然气的浓度计算出天然气溢出速度为2.565m3/min。分析计算结果得出隧道为高瓦斯隧道。 【关键词】：隧道爆破 围岩应力 裂隙 天然气运移 玄真观隧道
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U452.11;U455.6
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景9
• 1.2 研究目的意义9-10
• 1.2.1 问题的提出9-10
• 1.2.2 目的意义10
• 1.3 国内外研究现状10-14
• 1.3.1 随道爆破作用研究现状10-11
• 1.3.2 围岩应力分析研究现状11-13
• 1.3.3 天然气运移研究现状13
• 1.3.4 隧道天然气研究现状13-14
• 1.4 研究内容及方法14-16
• 1.4.1 研究内容14
• 1.4.2 研究方法及技术路线14-16
• 第2章 隧道天然气浓度分析16-23
• 2.1 工程概况16-17
• 2.2 工区地质条件17-19
• 2.2.1 地形地貌17
• 2.2.2 地层岩性17-18
• 2.2.3 地质构造18
• 2.2.4 水文条件18-19
• 2.3 隧道勘察和施工天然气浓度分析19-21
• 2.3.1 隧道勘察天然气检测结果分析19-20
• 2.3.2 隧道施工天然气监测结果分析20-21
• 2.3.3 隧道开挖前后天然气浓度变化原因分析21
• 2.4 本章小结21-23
• 第3章 隧道岩体爆破作用分析23-39
• 3.1 岩石的性质23-24
• 3.1.1 岩石的力学特性23-24
• 3.1.2 岩石的动态性能24
• 3.2 岩体爆破作用范围24-28
• 3.2.1 岩石爆破机理24-25
• 3.2.2 爆破的内部作用25-28
• 3.2.3 玄真观隧道岩体爆破作用范围28
• 3.3 节理岩体中爆破裂隙的扩展规律28-34
• 3.3.1 节理对岩体物理力学性质的影响28-30
• 3.3.2 结构面对爆破效果的控制30-32
• 3.3.3 节理岩体中爆破裂隙的发育规律32-33
• 3.3.4 玄真观隧道围岩中爆破裂隙发育规律分析33-34
• 3.4 隧道光面爆破作用34-38
• 3.4.1 光面爆破简介34-35
• 3.4.2 单排药包齐发爆破原理35-36
• 3.4.3 玄真观隧道光面爆破作用36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 隧道开挖围岩应力变化分析39-55
• 4.1 围岩力学特性及应力重分布过程39-44
• 4.1.1 围岩初始应力状态39-40
• 4.1.2 围岩二次应力状态40-41
• 4.1.3 洞室开挖围岩应力重分布过程41-44
• 4.2 玄真观隧道围岩应力数值模拟44-51
• 4.2.1 隧道围岩性质的基本假设45
• 4.2.2 参数选取和模型建立45-46
• 4.2.3 计算分析46-51
• 4.3 围岩应力变化对节理裂隙的影响51-53
• 4.3.1 拉应力对节理裂隙的影响51-52
• 4.3.2 压应力集中对节理裂隙的影响52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 隧道开挖围岩裂隙分析及天然气运移研究55-68
• 5.1 隧道开挖围岩裂隙分析55-57
• 5.1.1 爆破作用过程裂隙分析55-56
• 5.1.2 围岩应力变化过程裂隙分析56-57
• 5.2 天然气运移条件57-61
• 5.2.1 天然气来源57-59
• 5.2.2 天然气运移通道59-60
• 5.2.3 天然气运移动力60-61
• 5.3 玄真观隧道开挖天然气运移模式分析61-66
• 5.3.1 上台阶开挖天然气运移模式61-63
• 5.3.2 下台阶开挖天然气运移模式63-65
• 5.3.3 天然气溢出速度估算65-66
• 5.4 本章小结66-68
• 第6章 结论68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-73

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