煤矿巷道与采空区岩体结构地震动力灾变及地面建筑抗震性能劣化研究

发布时间：2018-04-05 19:31

本文选题：煤矿采空区　切入点：动力失稳　出处：《辽宁工程技术大学》2015年博士论文

【摘要】：中国矿区由于煤炭资源持续高效的开采形成了大量形式各异、大小不一、纵横交错、立体分布的采空区,而随着土地资源的日益紧张及工程建设的迅猛发展,越来越多的建筑物、桥梁、输电塔以及隧道等各类基础设施不可避免的要建在煤矿采空区场地上,但是煤矿采空区场地的稳定性是否满足建造建筑物的条件值得商榷,并且煤矿采空区岩层的移动变形导致地表塌陷以及地面建筑损伤倒塌现象异常严峻.煤层开采过程中不可避免的要面临各种扰动荷载的动力破坏效应,但矿山建设设计中较少考虑地震等各种动力灾害对矿区地下工程结构的影响及破坏.中国有80%以上的矿区处于在强地震区,但却没有专门细致化的矿山地下结构抗震计算方法及抗震设计规范标准,地震作用下煤矿采空区的稳定性、煤矿巷道结构与周围介质、采空区与地面建筑动力响应的相互影响问题是研究煤矿采空区的地震安全不可回避的重要问题.本文基于弹塑性力学、结构动力学、地震工程学及矿山开采沉陷学,采用现场调研、试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法,围绕煤矿采空区及地下结构的地震动力响应及地面建筑抗震性能劣化问题开展研究工作,本文主要进行了以下研究工作并取得了一些有益的研究成果：(1)通过建立煤矿采空区上覆岩层移动变形的弹塑性力学分析模型,得到了煤矿采动覆岩移动变形破断的力学判据；探讨了煤矿采动影响下的煤矿采空区岩层的位移变化与应力分布演化区域,指出了裂隙岩体的卸压保护原理：煤炭开采过程中岩体中的弹性能会及时释放,既及时释放了岩体的灾害能量避免了矿井动力灾害的发生,又可以起到降低岩层的矿山压力保护巷道结构的作用.(2)建立了煤柱的地震动力响应模型,重点探讨了地震作用下煤矿采空区煤柱内力响应、应力场演化规律,得到了煤柱的地震损伤破坏规律：在上覆岩层的自重作用下,在煤柱的内部明显形成了弹性区、塑性区、破裂区；地震作用下煤柱的塑性区不断向内部演化发展,破裂区逐渐增大,核心弹性区减小,导致煤柱破坏面的摩擦阻力及岩层内部的黏聚力减小,降低了对煤岩的约束作用,煤柱出现剥离脱落,最终整体失稳破坏现象；煤矿巷道不同部位的初始损伤对其失稳破坏的模式有较大影响与区别,对于煤矿巷道结构的顶板、帮部属于高应力集中易损伤破坏位置,需要予以重视采取合理的防护措施.(3)研究了煤矿巷道同一截面不同区位(顶板、底板、帮部)地震动力响应的差异,探讨了不同截面形状的煤矿地下巷道结构的地震动力破坏特征及影响因素,得到了煤矿巷道地震动力响应特征及破坏模式：浅埋煤矿巷道的抗震性能相对较差,但深埋煤矿巷道的抗震性能受地应力的影响较大,其安全稳定性能不易保证；圆形巷道的抗震性能相对最好,半圆拱形巷道次之,矩形巷道的抗震性能最弱；低频率的地震动对巷道围岩结构体系的影响较大,随着地震荷载频率的增加,煤矿巷道顶板和帮部的峰值位移响应上呈现出“先增加后减小最终平缓变化”的变化趋势；地震波在地表的放大效应加剧了近地表浅埋煤矿巷道的动力响应；煤矿巷道的埋置深度较深时,围岩介质具有较强的约束作用,可以降低煤矿巷道结构的地震动力响应.(4)探讨了岩体损伤后考虑强度降低刚度劣化的损伤区域应力场分布,对比分析了损伤效应对煤矿地下巷道结构的地震动力灾变的影响,研究表明地震波的冲击作用在引起煤(岩)层发生振动的同时又增加了巷道围岩的附加荷载,严重降低了巷道围岩的承载能力；地震作用下煤矿巷道结构的顶侧部和帮部是高应力集中区域,考虑强度降低刚度劣化的损伤效应的煤矿巷道围岩结构体系的岩层塑性破坏区域明显低于不考虑损伤的巷道围岩的塑性破坏区域；地震作用下煤矿巷道及围岩的受迫振动形式与地震波的基本振动形式接近,围岩介质的主要作用是传播效应、能量吸收与迁移效应；考虑损伤效应的煤矿巷道结构同一截面不同部位的加速度、峰值位移和内力响应有所降低,考虑损伤效应的煤矿巷道围岩介质的“减震层”效应可以减缓和协调岩层的变形,其耗能能力得到提高,有效降低了地震的传播能量以及围岩的变形量.地震横波对煤矿巷道结构的动力破坏主要体现在水平剪切作用,纵波对煤矿巷道结构的破坏作用主要以拉伸压缩的形式体现,在一定程度了增加巷道结构的荷载；总结了考虑围岩损伤效应的煤矿采动裂隙围岩介质的卸压—耗能—减震特性控制煤矿采动损伤岩层地震动力响应的原理.(5)探讨了地震波作用于岩体时应力波性质的改变；重点分析了地震波在考虑充填效应的煤矿采空区围岩介质与充填材料不同介质之间的传播衰减特性,指出了充填后煤矿采空区的地震动力稳定性的条件,研究发现：地震波对岩体(煤柱)的动力破坏效应主要体现在压缩破坏、拉伸破坏、共振破坏；稳定性较好的煤矿采空区在采用充填材料进行充填后,充填岩体的强度需要满足σb+kσa≥σ'的条件就可以保持煤矿采空区的地震动力稳定性；煤矿采空区的存在可以减缓地表的地震动力响应,但强震作用下煤矿采空区则成为加剧地表大面积坍塌动力失稳的隐患；地震发生后煤矿采空区地表的地震动力响应相对较小,充填后煤矿采空区充填材料及移动破断的岩层的强度降低、刚度劣化、阻尼和耗能能力得到增加,有效的吸收了地震波的灾害能量；地震作用下煤矿采空区群场地的危险性要高于单一煤矿采空区的场地.地震作用下煤矿采空区加速响应的振动形式与原激励震源相近,但存在着在时间上滞后并有所延长；在此基础上提出了“煤矸石充填+裂隙岩体复合减隔震层”保证煤矿采空区地震动力稳定性及地面建筑抗震安全的理念.(6)矿区复杂多变的灾害演化系统是涉及到固体、液体、气体等多相耦合的致灾系统,矿区复杂环境下建筑物抗震性能劣化主要受环境与荷载、材料、构件与结构四方面的因素影响：恶劣自然环境与复杂力学环境的耦合效应是矿区建筑抗震性能劣化的驱动力,材料的破坏是矿区建筑物抗震性能劣化的根本原因,构件的破坏是矿区建筑物抗震性能劣化的宏观表现,结构性能的劣化是建筑物抗震性能劣化的直接原因.对于多煤层重复开采影响下的建筑物的损伤破坏,煤矿重复采动是产生高强度采动灾害应力的起因.(7)探讨了煤矿采动损伤建筑的地震灾变演化机制,指出了地震作用下煤矿采动损伤建筑抗震性能劣化致灾的过程,分析了煤矿采动损害与地震动力破坏这两种灾害荷载对建筑物的成灾机理,研究发现地下煤炭开采改变了煤矿采空区的地震波动场,煤矿采动损害对建筑物的损伤主要集中于下部楼层,地震作用下煤矿采动损伤建筑物的结构薄弱层可能会形成塑性铰,降低了结构的抗震性能,提出了基于能量耗散理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评估方法,探讨了地震作用下煤矿采动损伤建筑的能量耗散演化过程,说明了煤矿采动损害加剧了地震灾害荷载对建筑物的破坏性,提出了“地下开采充填—地面建筑抗开采沉陷隔震”的保护策略,既能控制煤矿采空区的岩层移动变形,又能实现煤矿采动建筑的抗震抗开采沉陷变形保护.
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【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD32;TU352.11

【参考文献】