我国煤炭资源经过长期大规模开采,浅部煤炭资源逐渐面临枯竭,开采深度不断增大,目前平均开采深度已经接近600m。由于煤炭主运输、辅助运输连续化的要求,采用缓坡斜井开发的井筒越来越多,对煤矿斜井掘进施工设备、工艺技术和运营安全保障提出了新的挑战。神华新街台格庙矿区设计采用盾构施工长距离煤矿斜井,并采用预制混凝土管片作为支护结构在国内建井史上尚属首次,亟需研究煤层开采对盾构斜井管片结构安全性的影响。通过矿山压力理论与盾构管片结构设计理论相结合,提出煤层开采对斜井结构安全性影响因素主要包括上覆地层移动、地层应力重分布和含水层疏排水三个方面。将采动引起的地层移动曲线与管片结构纵向等效连续模型理论相结合,分析地层移动引起的管片结构应力和变形规律;根据不同条件下围岩特征曲线对围岩进行分类,提出了更加完备的围岩压力确定方法,并分析了应力重分布对围岩压力的影响;针对第四系表土含水层和基岩含水层,分别研究了煤层开采引起的含水层疏排水对管片结构产生的影响。针对靠近采煤工作面区域的应力重分布影响区,开展了大型相似材料模型试验分析,研究了管片结构应力变形随采煤工作面推进的变化规律,并对相似材料模型试验中尺寸效应、相似材料配比、流固耦合试验适用性等关键问题进行了分析。采用3DEC数值模拟软件对新街台格庙矿区盾构试验斜井工程进行了模拟分析,验证了煤层开采引起的上覆地层运动规律及其对斜井管片结构安全性的影响规律。取得的主要研究成果如下:(1)煤层开采引起的上覆地层移动主要对斜井管片纵向结构产生影响。将地层移动曲线W(x)与盾构管片纵向等效连续模型理论相结合,可计算得到管片结构应力和变形结果。地层移动引起管片接头处发生张开、错台变形,并产生附加应力,但是管片接头的存在使得管片结构能够抵御较大纵向变形,相比传统的整体式井筒结构更加能够适应煤层开采引起的地层移动。(2)煤层开采引起的应力重分布主要对靠近采煤工作面区域斜井管片安全性产生影响。根据围岩性质及所处的地应力状态,将围岩变形分为低应力状态下围岩弹塑性变形、高应力状态下围岩松动变形和高应力状态下围岩蠕动变形,并根据不同的支护条件提出了相应的围岩压力分析方法,并分析了应力重分布后围岩压力的变化规律。(3)煤层开采导致的第四系表土含水层疏排水将会引起管片结构纵向发生不均匀沉降。针对斜井结构建立了理论分析模型,提出了计算地层疏排水沉降引起管片结构附加应力和变形的方法,确定基岩交界面处管片为最危险截面。煤层开采引起基岩含水层内管片水压力发生变化,主要表现为:含水层疏排水导致水头高度He降低;采动引起含水层裂隙贯通导致水头高度He升高;巷道围岩条件改变导致水压力折减系数β1改变。(4)针对相似材料模型试验中的煤系地层,提出了考虑尺寸效应修正关系的模型参数确定方法。对于水泥、石膏、碳酸钙胶结相似材料,提出了以密度、弹性模量和单轴抗压强度为指标的材料配比确定方法,并采用Python语言编制了计算脚本。发现了以水泥和石膏作为胶结材料,石英砂作为骨料的相似材料,在一定配比条件下遇水之后不会发生崩解,而是发生与岩石类似的软化现象,仍具有类似岩石的破坏形式,适用于模拟孔隙较发育的石灰岩和砂岩。(5)针对新街台格庙矿区盾构试验斜井,上覆地层移动引起斜井纵向最大差异变形量为0.63 mm/m,最小曲率半径约为10000 m,对管片安全性影响较小;应力重分布影响区域主要在采煤工作面前方50 m,上方100 m范围内,此区域内斜井管片受力方式属于压弯组合,应力随采煤工作面的推进逐渐增大,管片安全性明显降低,必须采取加固措施并留设足够宽度保护煤柱才能保证斜井管片安全稳定;第四系含水层疏排水引起斜井纵向变形最小曲率半径ρ = 1.9×105m,管片最大附加压应力σc= 157kPa,最大附加拉应力σt = 49kPa,接缝处最大张开量δj=1.57×10-2 mm,对斜井安全性影响较小。