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動力耦合下采空區及上覆建筑物災變演化機制 版權信息
- ISBN：9787030719706
- 條形碼：9787030719706 ; 978-7-03-071970-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
動力耦合下采空區及上覆建筑物災變演化機制 本書特色
本書可供從事采礦工程、巖土工程、結構工程、礦山開采沉陷控制、 巖層移動與控制等領域的科技工作者和工程技術人員參考使用。
動力耦合下采空區及上覆建筑物災變演化機制 內容簡介
本書系統闡述了采空區巖層及采空區建筑物在開采沉陷及地震耦合作用下的動力災變及其防治措施。主要內容包括采空區巖層開采變形特征及其沉陷災害特征、采空區巷道的動力響應規律及其損傷災變特征、采空區復雜場地的動力響應特征及其影響因素、采空區建筑物的沉陷損傷指標及其模型、采空區建筑物地震響應特征及其在采動與地震耦合作用下的變形特征及能量耗散特征。
動力耦合下采空區及上覆建筑物災變演化機制 目錄
目錄
前言
**部分 理論基礎
第1章 煤炭資源開采及采空區災害現狀 3
1.1 我國煤炭資源及采空區災害現狀 3
1.2 煤炭資源開采演變災害 4
1.3 采空區開采-地震耦合災害 5
1.3.1 采空區開采地層變形災害 5
1.3.2 采空區地下地震災害 6
1.3.3 采空區沉陷-地震耦合作用下建筑物災害 9
第2章 開采方法及巖層變形理論 11
2.1 開采作用下的地表變形 11
2.1.1 地表移動變形 11
2.1.2 地表移動盆地的形成及其特征 12
2.1.3 地表移動盆地的變形分析 13
2.1.4 地表移動和變形對建筑物的影響 17
2.2 開采巖層變形理論 20
2.2.1 圍巖變形的影響因素 21
2.2.2 煤層開采方法 22
第3章 地震動力作用及能量消耗原理 24
3.1 耗散結構理論 24
3.1.1 耗散結構理論在工程中的應用 27
3.1.2 耗散結構動力能量方程 29
3.2 巖土動力學基本理論 32
3.2.1 土-結構相互作用 32
3.2.2 土結構動力方程 34
3.3 材料本構模型 37
3.3.1 圍巖本構模型 37
3.3.2 混凝土本構模型 44
3.4 數值計算的實現 47
3.4.1 網格劃分及時間步長 50
3.4.2 人工邊界和地基截取范圍 51
3.4.3 地震波輸入 52
第二部分 巷道開挖及地震響應
第4章 巷道開挖圍巖結構變形分析 57
4.1 開挖過程中巷道結構變形分析 57
4.1.1 巷道開挖模型的建立 57
4.1.2 開挖巷道結構應力分析 59
4.1.3 開挖巷道結構位移分析 61
4.2 巷道開挖下圍巖變形影響因素分析 65
4.2.1 巷道開挖埋深對圍巖變形的影響 65
4.2.2 巷道截面形式對圍巖變形的影響 69
4.2.3 圍巖分層對圍巖變形的影響 72
4.2.4 襯砌支護對圍巖變形的影響 77
4.3 巷道開挖擾動下襯砌變形影響因素分析 82
4.3.1 不同埋深下襯砌受力分析 82
4.3.2 不同截面形式下襯砌受力分析 86
4.3.3 不同混凝土強度下襯砌受力分析 88
第5章 巷道結構的地震動力響應分析 93
5.1 計算模型的ANSYS實現及計算假定 93
5.2 地應力對巷道結構應力分布的影響 95
5.3 地震作用下巷道動力響應分析 98
5.3.1 水平地震作用下巷道動力響應 98
5.3.2 豎向地震作用下巷道動力響應 107
5.3.3 雙向地震作用下巷道動力響應 115
5.4 巷道地震動力響應的影響因素分析 118
5.4.1 巷道埋深對巷道地震動力響應的影響 118
5.4.2 巷道截面形式對巷道地震動力響應的影響 124
5.4.3 巷道襯砌彈性模量對巷道地震動力響應的影響 131
5.4.4 圍巖分層對巷道地震動力響應的影響 133
5.4.5 地震波類型對巷道地震動力響應的影響 136
第6章 巷道的震害災變過程分析 140
6.1 計算模型的建立 140
6.2 煤礦巷道結構的地震災變分析 141
6.2.1 巷道應力分析 141
6.2.2 巷道損失分析 146
6.2.3 巷道地震響應時程分析 149
6.3 考慮巷道損傷的地震動力破壞分析 153
第三部分 采空區地震動力響應分析
第7章 采空區場地的地震動力響應分析 161
7.1 采空區場地模型的建立 161
7.2 采空區地表點地震動力響應分析 163
7.3 采空區地表響應的影響因素分析 167
7.3.1 模型的建立 167
7.3.2 采空區埋深對地表加速度峰值的影響 168
7.3.3 采空區土體彈性模量對地表加速度峰值的影響 169
7.4 采空區群的地震響應分析 170
7.4.1 采空區群對地表地震波加速度響應的影響 170
7.4.2 采空區群對地表地震波位移響應的影響 171
7.4.3 多遇地震作用下煤礦采空區群應力響應分析 172
7.4.4 罕遇地震作用下煤礦采空區群應力響應分析 176
第四部分 采空區地表建筑物災變動力及能量特征
第8章 煤礦采動損傷建筑的地震動力響應分析 185
8.1 采動損傷基礎理論 185
8.2 采動損傷建筑模型的建立 187
8.3 采空區建筑物的動力特征 193
8.4 地震下采動損傷建筑彈塑性響應分析 195
第9章 煤礦采動損傷對建筑物抗震性能的影響分析 203
9.1 引言 203
9.2 建筑物樓層薄弱層驗算 203
9.3 地震作用下煤礦采動建筑物的損傷分析 205
9.3.1 樓層極限位移計算 206
9.3.2 累積滯回耗能反應計算 207
9.3.3 樓層極限滯回耗能計算 208
9.3.4 建筑結構樓層損傷分析 208
第10章 采動與地震耦合下建筑物的能量耗散分析 211
10.1 開采沉陷建筑物有限元模型的建立 211
10.2 考慮采動和地震的建筑物能量耗散分析 215
10.2.1 開采沉陷工況 215
10.2.2 開采沉陷作用下建筑物輸入能量和彈性存儲能量演化分析 215
10.2.3 開采沉陷作用下建筑物耗散能量演化分析 217
10.3 采動與地震耦合作用下建筑物輸入能量演化分析 222
10.4 采動與地震耦合作用下建筑物耗散能量演化分析 224
參考文獻 230
前言
**部分 理論基礎
第1章 煤炭資源開采及采空區災害現狀 3
1.1 我國煤炭資源及采空區災害現狀 3
1.2 煤炭資源開采演變災害 4
1.3 采空區開采-地震耦合災害 5
1.3.1 采空區開采地層變形災害 5
1.3.2 采空區地下地震災害 6
1.3.3 采空區沉陷-地震耦合作用下建筑物災害 9
第2章 開采方法及巖層變形理論 11
2.1 開采作用下的地表變形 11
2.1.1 地表移動變形 11
2.1.2 地表移動盆地的形成及其特征 12
2.1.3 地表移動盆地的變形分析 13
2.1.4 地表移動和變形對建筑物的影響 17
2.2 開采巖層變形理論 20
2.2.1 圍巖變形的影響因素 21
2.2.2 煤層開采方法 22
第3章 地震動力作用及能量消耗原理 24
3.1 耗散結構理論 24
3.1.1 耗散結構理論在工程中的應用 27
3.1.2 耗散結構動力能量方程 29
3.2 巖土動力學基本理論 32
3.2.1 土-結構相互作用 32
3.2.2 土結構動力方程 34
3.3 材料本構模型 37
3.3.1 圍巖本構模型 37
3.3.2 混凝土本構模型 44
3.4 數值計算的實現 47
3.4.1 網格劃分及時間步長 50
3.4.2 人工邊界和地基截取范圍 51
3.4.3 地震波輸入 52
第二部分 巷道開挖及地震響應
第4章 巷道開挖圍巖結構變形分析 57
4.1 開挖過程中巷道結構變形分析 57
4.1.1 巷道開挖模型的建立 57
4.1.2 開挖巷道結構應力分析 59
4.1.3 開挖巷道結構位移分析 61
4.2 巷道開挖下圍巖變形影響因素分析 65
4.2.1 巷道開挖埋深對圍巖變形的影響 65
4.2.2 巷道截面形式對圍巖變形的影響 69
4.2.3 圍巖分層對圍巖變形的影響 72
4.2.4 襯砌支護對圍巖變形的影響 77
4.3 巷道開挖擾動下襯砌變形影響因素分析 82
4.3.1 不同埋深下襯砌受力分析 82
4.3.2 不同截面形式下襯砌受力分析 86
4.3.3 不同混凝土強度下襯砌受力分析 88
第5章 巷道結構的地震動力響應分析 93
5.1 計算模型的ANSYS實現及計算假定 93
5.2 地應力對巷道結構應力分布的影響 95
5.3 地震作用下巷道動力響應分析 98
5.3.1 水平地震作用下巷道動力響應 98
5.3.2 豎向地震作用下巷道動力響應 107
5.3.3 雙向地震作用下巷道動力響應 115
5.4 巷道地震動力響應的影響因素分析 118
5.4.1 巷道埋深對巷道地震動力響應的影響 118
5.4.2 巷道截面形式對巷道地震動力響應的影響 124
5.4.3 巷道襯砌彈性模量對巷道地震動力響應的影響 131
5.4.4 圍巖分層對巷道地震動力響應的影響 133
5.4.5 地震波類型對巷道地震動力響應的影響 136
第6章 巷道的震害災變過程分析 140
6.1 計算模型的建立 140
6.2 煤礦巷道結構的地震災變分析 141
6.2.1 巷道應力分析 141
6.2.2 巷道損失分析 146
6.2.3 巷道地震響應時程分析 149
6.3 考慮巷道損傷的地震動力破壞分析 153
第三部分 采空區地震動力響應分析
第7章 采空區場地的地震動力響應分析 161
7.1 采空區場地模型的建立 161
7.2 采空區地表點地震動力響應分析 163
7.3 采空區地表響應的影響因素分析 167
7.3.1 模型的建立 167
7.3.2 采空區埋深對地表加速度峰值的影響 168
7.3.3 采空區土體彈性模量對地表加速度峰值的影響 169
7.4 采空區群的地震響應分析 170
7.4.1 采空區群對地表地震波加速度響應的影響 170
7.4.2 采空區群對地表地震波位移響應的影響 171
7.4.3 多遇地震作用下煤礦采空區群應力響應分析 172
7.4.4 罕遇地震作用下煤礦采空區群應力響應分析 176
第四部分 采空區地表建筑物災變動力及能量特征
第8章 煤礦采動損傷建筑的地震動力響應分析 185
8.1 采動損傷基礎理論 185
8.2 采動損傷建筑模型的建立 187
8.3 采空區建筑物的動力特征 193
8.4 地震下采動損傷建筑彈塑性響應分析 195
第9章 煤礦采動損傷對建筑物抗震性能的影響分析 203
9.1 引言 203
9.2 建筑物樓層薄弱層驗算 203
9.3 地震作用下煤礦采動建筑物的損傷分析 205
9.3.1 樓層極限位移計算 206
9.3.2 累積滯回耗能反應計算 207
9.3.3 樓層極限滯回耗能計算 208
9.3.4 建筑結構樓層損傷分析 208
第10章 采動與地震耦合下建筑物的能量耗散分析 211
10.1 開采沉陷建筑物有限元模型的建立 211
10.2 考慮采動和地震的建筑物能量耗散分析 215
10.2.1 開采沉陷工況 215
10.2.2 開采沉陷作用下建筑物輸入能量和彈性存儲能量演化分析 215
10.2.3 開采沉陷作用下建筑物耗散能量演化分析 217
10.3 采動與地震耦合作用下建筑物輸入能量演化分析 222
10.4 采動與地震耦合作用下建筑物耗散能量演化分析 224
參考文獻 230
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動力耦合下采空區及上覆建筑物災變演化機制 節選
**部分理論基礎 第1章煤炭資源開采及采空區災害現狀 1.1我國煤炭資源及采空區災害現狀 煤炭作為工業革命以后主要的能源資源之一，在世界發展過程中占據著重要地位。多煤、貧油、少氣是我國能源資源的基本結構特點，煤炭在我國化石能源中占到的比例較高，因此煤炭資源作為我國主體能源毋庸置疑。長期以來，煤炭生產與消費量占到我國能源生產與消費總量的2/3左右；根據相關專家預測，在今后相當長的一段時間內，我國將繼續保持以煤炭為主的能源供應與消費這一發展趨勢。隨著我國經濟建設的快速發展，基礎能源和工業原料的需求量日益增長，煤炭產業作為我國重要的基礎產業，為我國提供了足夠的能源，并保障了我國能源安全，具有不可替代的作用。 世界煤炭探明儲量在10億t以上的國家共有23個，我國排在第三位，約占世界總探明儲量的11.6%，約是排在世界**位美國的一半，但是我國煤炭生產量排在世界**位，是第二位美國生產量的2倍多，說明我國煤炭資源消耗較快，我國部分地區煤炭資源已經出現枯竭或接近枯竭現象。我國煤炭資源的開采受到不同條件的制約，如開采條件制約、生態環境制約、煤炭質量制約、資源數量制約。其中建筑物、水體和鐵路下（簡稱“三下”）壓煤也是制約一些煤炭礦區開采的重要因素。例如，龍口礦區經專業技術人員勘探，結果顯示可供開采的煤炭總儲量高達23398.6萬t，但村莊下壓煤儲量多達15436.9萬t，占總可采儲量的65.97%，村莊下壓煤問題已經成為龍口礦區煤炭開采的“瓶頸”。兗礦能源集團在1999年底進行了詳細的統計，結果顯示可供開采的煤炭總儲量為15.90億t，但建筑物下壓煤量多達7.89億t，約占總可采儲量的一半，已成為制約煤炭開采的首要問題。徐州礦務集團同時也在1999年底對該集團礦區建筑物下壓煤儲量進行了詳細統計，發現該集團礦區建筑物下壓煤儲量約為4.9億t，占集團探明的總可采儲量的1/2以上。我國“三下”壓煤儲量高達137.9億t，約占到我國已探明儲量的12%，其中建筑物下壓煤儲量達到87.6億t左右，占到我國“三下”壓煤儲量的63.5%。根據以上情況分析，隨著我國煤炭資源的不斷消耗，煤炭開采將不可避免地延伸到建筑物下，按照《礦產資源補償費征收管理規定》：依法開采水體下、建筑物下、交通要道下的礦產資源的采礦權人，可以減繳礦產資源補償費。 國外研究建筑物下壓煤開采較早的國家有英國、俄羅斯、波蘭及德國，而建筑物下開采技術處在世界領先地位的當屬波蘭。在國內，前期主要是學習并引進國外的先進經驗，對一些礦區進行建筑物下采煤試驗，并獲得了寶貴經驗。根據大量文獻與經驗，建筑物的抗變形能力與地表的水平變形值的大小決定了建筑物下采煤的破壞程度，所以，對于建筑物下采煤而言，我們應按照建筑物受力情況、建筑物結構等采取適當的采煤技術，對建筑物選取合理的結構保護措施。當前，我國建筑物下采煤主要有：①房柱式開采法。在開采煤層中掘進一系列寬5～7m的煤房，以巷道連通中間，形成寬度不等的長條形煤柱。在設計煤柱時，不僅要節約資源，按照需求進行煤柱回收，而且煤柱應具有特定的穩定性，確保足夠的強度去支撐頂板。②協調開采法。通過合理安置開采順序以及工作面，以對部分地表變形進行抵消，進而保護地表建筑物，是避免地表變形的一種有效措施。③充填開采法。在煤炭開采工作面后方采空區用填充材料進行上覆巖層支撐，如粉煤灰、矸石或者碎砂，從而減輕地表環境受到的損壞程度。當前，長臂石膏體結合矸石充填和巷柱式開采填充是主要的兩種填充方式。實踐顯示，充填開采能夠在很大程度上降低開采對地表建筑物的損害，減輕地表沉降的程度。④條帶開采法。劃分開采煤層區域，使之成為線性區域，間隔采留，從而確保部分條帶式的煤對上覆巖層進行支撐，達到保護地面建筑物，回收部分煤炭的目的。此外，還有離層注漿開采法、間歇開采法、擇優開采法等建筑物下采煤方法。 1.2煤炭資源開采演變災害 地下的煤炭資源開采后，煤層的上覆巖體失去了原有的支撐，采空區域周圍巖體的初始應力平衡被破壞，導致應力場重新分布，直至達到新的應力平衡。這是一個非常復雜的物理力學變化過程。在這個過程中，巖體發生變形或移動，向上波及地表，呈現出塌陷、裂縫和臺階等多種形式的變形，如圖1.1所示，形成地表移動盆地，我們稱為采動區。據相關不完全統計，我國國有煤礦截至1996年底，累計塌陷總面積約為38萬hm2，仍然以平均每開采萬噸煤塌陷土地0.2hm2的速度遞增。其中塌陷土地一半以上集中在平原地區。據安徽省政府部門不完全統計，2007年塌陷區總面積250km2，塌陷深度在1.5m以上的達到127km2；兗州、滕州和兩淮地區1994年總塌陷面積已達到4.87萬hm2，預計2000年累計塌陷面積將達到7.15萬hm2，2010年將達到13.33萬hm2以上。表1.1為1994年統計的兗州、滕州等六礦區采煤塌陷技術指標。 1.3采空區開采-地震耦合災害 1.3.1采空區開采地層變形災害 隨著煤礦地下煤層的不斷開采，煤層上覆巖層失去支撐，巖體的應力平衡發生破壞，導致地表發生移動變形，破壞了建筑物基礎與地基間的原有應力平衡，建筑物與地基的應力重新分布，直至達到新的平衡力系。隨著新的平衡力系建立，建筑物發生了移動變形，局部產生附加應力，當附加應力超過局部結構的極限應力時會導致建筑物破壞。地下煤炭開采引起的地表移動變形主要有水平方向的移動變形（如水平拉伸變形、水平移動變形、壓縮變形）、垂直方向的移動變形（如下沉、曲率、傾斜、扭曲）以及地表平面內的剪應變三類，地表變形情況不同，對建筑物產生的影響也不同，可使建筑物產生裂縫、下陷、傾斜、扭轉甚至破壞。例如，潞安屯留礦井專用鐵路干線有很大一部分處于塌陷區之中，塌陷形成的盆地*大深度達到4m，*大傾斜度達到30mm/m，對該鐵路運營造成了嚴重威脅;在開采作用影響下，陽泉礦務局四礦前家掌中央風井因錯位而報廢。據不完全統計，山西省有145個村莊因為煤礦開采引發地質災害危及村民的生命財產安全而被迫搬遷，此外還有200多個村莊的房屋也遭到不同程度的破壞。安徽省淮北市的烈山鎮和淮南市的九龍崗鎮都因遭到地表塌陷破壞而不得不搬遷重建，如圖1.2所示。 圖1.2次生災害 1.3.2采空區地下地震災害 通過對國內外近幾十年來大地震的震害數據研究可以得出，地下結構的震動性能及災變機理，與地表結構有很大的差別。特別是煤礦采空區場地復雜，地下環境縱橫交錯，其地震響應更為復雜。與地表結構相比，地下結構的地震動力響應特點主要表現在以下幾個方面：①大多數被埋置在巖層中的地下結構會受到來自周圍巖土介質的作用，隨著外在作用的變化其約束也會隨之改變，并且結構的自振特性通常不在其地震動力響應中體現。如果所要研究的地下結構的尺寸與輸人地震波波長的比例不大時，通過研究分析可以得出地下結構對其周圍地基的地震動力響應影響不大，而且其研究結果得出的地震動力響應波形與輸人地震波的波形大致相同；如果地下結構的尺寸與輸人地震波波長的比例較大時，地下結構的存在就會對輸人地震波的傳播產生很大的影響，從而使周圍地基的動位移場改變，因此，地下結構的尺寸大小對地下結構的地震動力響應有顯著的影響。而自振特性是地表結構的地震動力響應的主要表現因素，特別是低階模態的影響。②影響地下結構地震動力響應的主要因素為周圍土體的地震動位移場，而其慣性力并不是影響地震動力響應的主要因素，與地表結構有很大的區別，因此地下結
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