开采沉陷区残余变形时空演化规律及其对地面建筑影响
发布时间：2021-02-17 01:46
生态文明建设背景下,矿业城市开采沉陷区高效利用已经成为当前研究的热点之一。在开采沉陷区利用中首先要掌握岩层移动与地表位移规律,特别是稳沉之后残余变形的时空演化规律及其对地面建筑影响机制。以现场监测资料案例分析为基础,采用相似材料试验、理论研究、数值模拟以及实测验证等研究方法对开采沉陷区残余变形机理、残余变形与建筑物相互作用以及残余变形引起的建筑物附加内力分析及控制进行了研究,得出了如下结论:（1）开采沉陷区稳沉后的残余变形包括常规移动变形的延续和受扰动变形,通过相似材料试验与工程现象揭示了开采沉陷区在稳沉后存在残余变形持续演化规律,揭示了开采沉陷区残余变形与岩层移动及地表位移之间的时空相关关系;（2）通过对现有的研究理论和工程现象总结剖析了残余变形存在的机理及影响因素,探索性提出了开采沉陷区主剖面变形呈现出“元宝曲线”,残余变形垂直位移与时间存在负指数相关性;（3）以唐山矿塌陷区上世园会D5门为例,依据开采条件和地质条件利用概率积分法预测了该区域残余变形,并采用数值模拟方法对残余变形与建筑物上部结构相互影响进行了研究,结果表明:建筑物上部结构受残余变形影响较大,应增加地基刚度与建筑物刚...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 开采沉陷区残余变形时空特性及机理研究
1.2.2 开采沉陷区残余变形与建筑物相互作用研究
1.2.3 残余变形影响下的建筑物附加应力计算研究
1.2.4 开采沉陷区建筑抗变形措施研究
1.3 论文主要研究内容及方法
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 研究方法和技术路线
2 开采引起的岩层移动和地表位移时空变化规律
2.1 矿石开采后岩层移动特征
2.1.1 采场采动期间覆岩岩层移动特征
2.1.2 开采沉陷区稳沉后岩层移动特征
2.2 开采沉陷区地表位移空间变化特征
2.2.1 开采沉陷区稳沉前地表位移特征
2.2.2 开采沉陷区稳沉后地表位移特征
2.3 开采沉陷区地表位移随时间变化分析
2.4 稳沉后岩层移动及地表位移相似材料试验
2.4.1 模型与试验方法
2.4.2 稳沉后地表移动和变形规律
2.4.3 地表达到稳沉条件前后地表移动随时间变化规律
2.5 开采沉陷区地表位移稳定后继续变形的存在案例
2.6 小结
3 开采沉陷区残余变形机理及影响因素
3.1 开采沉陷区残余变形与存在机理
3.1.1 残余变形的微观机理
3.1.2 残余变形的宏观机理
3.2 开采沉陷区残余变形的影响因素
3.3 各影响因素对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.1 荷载变化对开采沉陷区残余变形影响
3.3.2 水位变化对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.3 振动对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.4 时间对开采沉陷区残余变形影响规律
3.4 开采沉陷区残余变形影响范围与持续时间
3.4.1 开采沉陷区残余变形影响范围
3.4.2 残余变形持续时间
3.4.3 残余变形随时间变化规律
3.5 基于概率积分法的开采沉陷区残余预测模型
3.5.1 计算方法选择依据
3.5.2 基本数学模型
3.5.3 计算参数选择
3.6 D5门区拟建区域残余变形预测分析
3.6.1 地表移动时间分析
3.6.2 地表移动与变形预计方法选择
3.6.3 预计参数选定
3.6.4 预计结果
3.6.5 残余变形预计结果对建（构）筑物影响分析
3.7 小结
4 残余变形与建筑物相互作用数值模拟研究与分析
4.1 残余变形影响下地表移动对建筑物影响规律
4.2 项目区地质采矿条件
4.2.1 煤系地层
4.2.2 开采煤层及顶底板条件
4.2.3 建筑物位于采区空间位置关系
4.3 数学模型的建立
4.3.1 建筑物概况及建模分析
4.3.2 影响应力的主要因素
4.3.3 基于主要因素建立模型
4.4 数值模拟与分析
4.4.1 不考虑开采沉陷残余变形影响分析
4.4.2 残余变形影响下模拟与分析
4.4.3 地基刚度增加的影响分析
4.4.4 建筑物刚度增加影响分析
4.4.5 实验验证
4.5 小结
5 残余变形引起的建筑物附加内力分析及控制
5.1 地表不均匀沉降引起的附加内力分析
5.1.1 模型的建立
5.1.2 半刚性钢框架的近似计算
5.1.3 稳定性分析
5.2 数值模拟模型的修正与完善
5.2.1 地面建筑物结构保护措施对模型的影响
5.2.2 地表下沉对地基的影响
5.2.3 物理力学参数
5.3 地表变形量合理性分析
5.4 地表曲率合理性分析
5.5 建筑物抗变形设计中的支座约束分析
5.6 小结
6 残余变形影响下的大跨度钢结构设计优化与效果
6.1 项目区残余变形预测D5门抗变形设计要求
6.2 2016年唐山世界园艺博览会D5门概况
6.3 计算模型
6.3.1 主结构
6.3.2 顶面与立面次结构
6.4 荷载与作用
6.4.1 设计使用年限与安全等级
6.4.2 荷载与组合
6.4.3 内力计算结果
6.4.4 位移计算结果
6.5 结构分析与设计
6.6 开采沉陷区大跨度钢结构抗变形措施
6.7 开采沉陷区大跨度钢结构变形监测
6.7.1 D5大门基础及钢结构网架的变形监测
6.7.2 残余变形地表点沉降观测结果
6.7.3 D5大门变形监测分析
6.8 小结
7 结论
7.1 主要结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]采煤工作面初次放顶煤技术与管理措施探析[J]. 王晖. 能源与节能. 2018(05)
[2]以习近平新时代中国特色社会主义思想引领生态文明建设[J]. 陈伟俊. 中国党政干部论坛. 2018(01)
[3]地下连续墙接头形式在土木工程中的应用综述[J]. 臧园. 安徽建筑. 2017(06)
[4]LIDAR点云建筑物数据提取及三维模型建立[J]. 张玉娟,李秀海,王强. 哈尔滨师范大学自然科学学报. 2017(06)
[5]基于数值模拟的房柱式采空区关键层-岩柱系统破坏机理分析[J]. 管永伟,魏义强,杨振江,李志军,武军. 中国地质灾害与防治学报. 2017(04)
[6]煤矿老采空区上方高速公路建设场地稳定性评价[J]. 杨锋,郭广礼,万战胜,郭庆彪. 金属矿山. 2017(11)
[7]采空区煤柱失稳诱发下煤层冲击机理研究[J]. 瞿孝昆,姜福兴,王慧涛,朱斯陶,张明,徐柯,张威涛. 采矿与安全工程学报. 2017(06)
[8]房柱采空区下特厚煤层开采煤岩垮落特征相似模拟试验研究[J]. 郭泽峰,杨永康,陈慎心,康天合,张彦斌,张智敏. 矿业研究与开发. 2017(09)
[9]煤矿釆空区管道的破坏机理及影响因素研究[J]. 赵江平,刘士洋. 煤炭技术. 2017(09)
[10]地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究[J]. 代张音,唐建新,舒国钧,腾俊洋,王艳磊,刘姝. 安全与环境学报. 2017(04)
博士论文
[1]采空区下回采巷道围岩破坏机理及控制技术[D]. 姚宝珠.中国矿业大学（北京） 2014
[2]青兰高速公路沿线北八特采空区地表沉陷机理及其数值模拟[D]. 王晖.中国地质大学（北京） 2009
[3]考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间影响的基坑支护变形与内力研究[D]. 刘畅.天津大学 2008
硕士论文
[1]老采空区残余变形对新建建筑物安全影响的研究[D]. 魏帅颖.北方工业大学 2018
[2]唐山某煤矿采空区地表变形机理及危险性评价研究[D]. 周一文.西南交通大学 2017
[3]煤矿地下采动对厂区地基稳定性的影响[D]. 何松标.贵州大学 2017
[4]王家塔矿区采空区地表沉陷机理及模型预测研究[D]. 刘彤.吉林大学 2017
[5]房式采空区下伏煤层开采动压灾害发生机理及其控制[D]. 付兴玉.煤炭科学研究总院 2016
[6]采动曲率变形对地表建筑物的影响研究[D]. 陈胜云.太原理工大学 2016
[7]采空区地表变形作用下框架结构筏板基础受力性能优化分析[D]. 孟宁宁.东北石油大学 2016
[8]石膏类矿床采空区失稳机理及防治措施研究[D]. 肖国喜.江西理工大学 2015
[9]采空区下近距离煤层综放面压架机理及其控制研究[D]. 李晨阳.太原理工大学 2015
[10]高速公路下伏急倾斜煤层采空区致灾机理与防治技术研究[D]. 张梦醒.长安大学 2015
本文编号：3037230
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 开采沉陷区残余变形时空特性及机理研究
1.2.2 开采沉陷区残余变形与建筑物相互作用研究
1.2.3 残余变形影响下的建筑物附加应力计算研究
1.2.4 开采沉陷区建筑抗变形措施研究
1.3 论文主要研究内容及方法
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 研究方法和技术路线
2 开采引起的岩层移动和地表位移时空变化规律
2.1 矿石开采后岩层移动特征
2.1.1 采场采动期间覆岩岩层移动特征
2.1.2 开采沉陷区稳沉后岩层移动特征
2.2 开采沉陷区地表位移空间变化特征
2.2.1 开采沉陷区稳沉前地表位移特征
2.2.2 开采沉陷区稳沉后地表位移特征
2.3 开采沉陷区地表位移随时间变化分析
2.4 稳沉后岩层移动及地表位移相似材料试验
2.4.1 模型与试验方法
2.4.2 稳沉后地表移动和变形规律
2.4.3 地表达到稳沉条件前后地表移动随时间变化规律
2.5 开采沉陷区地表位移稳定后继续变形的存在案例
2.6 小结
3 开采沉陷区残余变形机理及影响因素
3.1 开采沉陷区残余变形与存在机理
3.1.1 残余变形的微观机理
3.1.2 残余变形的宏观机理
3.2 开采沉陷区残余变形的影响因素
3.3 各影响因素对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.1 荷载变化对开采沉陷区残余变形影响
3.3.2 水位变化对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.3 振动对开采沉陷区残余变形影响规律
3.3.4 时间对开采沉陷区残余变形影响规律
3.4 开采沉陷区残余变形影响范围与持续时间
3.4.1 开采沉陷区残余变形影响范围
3.4.2 残余变形持续时间
3.4.3 残余变形随时间变化规律
3.5 基于概率积分法的开采沉陷区残余预测模型
3.5.1 计算方法选择依据
3.5.2 基本数学模型
3.5.3 计算参数选择
3.6 D5门区拟建区域残余变形预测分析
3.6.1 地表移动时间分析
3.6.2 地表移动与变形预计方法选择
3.6.3 预计参数选定
3.6.4 预计结果
3.6.5 残余变形预计结果对建（构）筑物影响分析
3.7 小结
4 残余变形与建筑物相互作用数值模拟研究与分析
4.1 残余变形影响下地表移动对建筑物影响规律
4.2 项目区地质采矿条件
4.2.1 煤系地层
4.2.2 开采煤层及顶底板条件
4.2.3 建筑物位于采区空间位置关系
4.3 数学模型的建立
4.3.1 建筑物概况及建模分析
4.3.2 影响应力的主要因素
4.3.3 基于主要因素建立模型
4.4 数值模拟与分析
4.4.1 不考虑开采沉陷残余变形影响分析
4.4.2 残余变形影响下模拟与分析
4.4.3 地基刚度增加的影响分析
4.4.4 建筑物刚度增加影响分析
4.4.5 实验验证
4.5 小结
5 残余变形引起的建筑物附加内力分析及控制
5.1 地表不均匀沉降引起的附加内力分析
5.1.1 模型的建立
5.1.2 半刚性钢框架的近似计算
5.1.3 稳定性分析
5.2 数值模拟模型的修正与完善
5.2.1 地面建筑物结构保护措施对模型的影响
5.2.2 地表下沉对地基的影响
5.2.3 物理力学参数
5.3 地表变形量合理性分析
5.4 地表曲率合理性分析
5.5 建筑物抗变形设计中的支座约束分析
5.6 小结
6 残余变形影响下的大跨度钢结构设计优化与效果
6.1 项目区残余变形预测D5门抗变形设计要求
6.2 2016年唐山世界园艺博览会D5门概况
6.3 计算模型
6.3.1 主结构
6.3.2 顶面与立面次结构
6.4 荷载与作用
6.4.1 设计使用年限与安全等级
6.4.2 荷载与组合
6.4.3 内力计算结果
6.4.4 位移计算结果
6.5 结构分析与设计
6.6 开采沉陷区大跨度钢结构抗变形措施
6.7 开采沉陷区大跨度钢结构变形监测
6.7.1 D5大门基础及钢结构网架的变形监测
6.7.2 残余变形地表点沉降观测结果
6.7.3 D5大门变形监测分析
6.8 小结
7 结论
7.1 主要结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]采煤工作面初次放顶煤技术与管理措施探析[J]. 王晖. 能源与节能. 2018(05)
[2]以习近平新时代中国特色社会主义思想引领生态文明建设[J]. 陈伟俊. 中国党政干部论坛. 2018(01)
[3]地下连续墙接头形式在土木工程中的应用综述[J]. 臧园. 安徽建筑. 2017(06)
[4]LIDAR点云建筑物数据提取及三维模型建立[J]. 张玉娟,李秀海,王强. 哈尔滨师范大学自然科学学报. 2017(06)
[5]基于数值模拟的房柱式采空区关键层-岩柱系统破坏机理分析[J]. 管永伟,魏义强,杨振江,李志军,武军. 中国地质灾害与防治学报. 2017(04)
[6]煤矿老采空区上方高速公路建设场地稳定性评价[J]. 杨锋,郭广礼,万战胜,郭庆彪. 金属矿山. 2017(11)
[7]采空区煤柱失稳诱发下煤层冲击机理研究[J]. 瞿孝昆,姜福兴,王慧涛,朱斯陶,张明,徐柯,张威涛. 采矿与安全工程学报. 2017(06)
[8]房柱采空区下特厚煤层开采煤岩垮落特征相似模拟试验研究[J]. 郭泽峰,杨永康,陈慎心,康天合,张彦斌,张智敏. 矿业研究与开发. 2017(09)
[9]煤矿釆空区管道的破坏机理及影响因素研究[J]. 赵江平,刘士洋. 煤炭技术. 2017(09)
[10]地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究[J]. 代张音,唐建新,舒国钧,腾俊洋,王艳磊,刘姝. 安全与环境学报. 2017(04)
博士论文
[1]采空区下回采巷道围岩破坏机理及控制技术[D]. 姚宝珠.中国矿业大学（北京） 2014
[2]青兰高速公路沿线北八特采空区地表沉陷机理及其数值模拟[D]. 王晖.中国地质大学（北京） 2009
[3]考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间影响的基坑支护变形与内力研究[D]. 刘畅.天津大学 2008
硕士论文
[1]老采空区残余变形对新建建筑物安全影响的研究[D]. 魏帅颖.北方工业大学 2018
[2]唐山某煤矿采空区地表变形机理及危险性评价研究[D]. 周一文.西南交通大学 2017
[3]煤矿地下采动对厂区地基稳定性的影响[D]. 何松标.贵州大学 2017
[4]王家塔矿区采空区地表沉陷机理及模型预测研究[D]. 刘彤.吉林大学 2017
[5]房式采空区下伏煤层开采动压灾害发生机理及其控制[D]. 付兴玉.煤炭科学研究总院 2016
[6]采动曲率变形对地表建筑物的影响研究[D]. 陈胜云.太原理工大学 2016
[7]采空区地表变形作用下框架结构筏板基础受力性能优化分析[D]. 孟宁宁.东北石油大学 2016
[8]石膏类矿床采空区失稳机理及防治措施研究[D]. 肖国喜.江西理工大学 2015
[9]采空区下近距离煤层综放面压架机理及其控制研究[D]. 李晨阳.太原理工大学 2015
[10]高速公路下伏急倾斜煤层采空区致灾机理与防治技术研究[D]. 张梦醒.长安大学 2015
本文编号：3037230
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