采空区地表窑洞结构的稳定性研究.pdf

分类号 濑审班史警 单位代码1 0 1 1 0 学号S 1 4 0 4 0 5 6 N o r | h C h i n a 采空区地表窑洞结构的稳定性研究 硕士研究生篚墨墨 指导教师董篮叠熬撞 万方数据 图书分类号 U D C 注1 X 9 5 6 硕士学位论文 采空区地表窑洞结构的稳定性研究 薛丹丹 指导教师 姓名、职称莹瑞蚕教授 申请学位级别工堂亟 专业名称塞全抖堂皇王程 论文提交日期 2 0 1 7 论文答辩日期至Q 】Z年墨月2 垒日 学位授予日期年月日 论文评阅人谢建挂副教授徐文蝰教授 答辩委员会主席．郭世娥硒高王 注1 注明国际十进分类法u D c 的分类 2 0 1 7 年6 月1 日 万方数据 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名蓥盘盘日期三 L 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； ②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③ 学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 日期鲨 l 鱼』 万方数据 中北大学学位论文 采空区地表窑洞结构的稳定性研究 摘要 随着经济的飞速发展，我国地下采煤现象也愈发频繁，致使一些老能源基地发生大 范围的采空区塌陷现象。它的存在会不可避免地对地表及其周围建筑物造成影响，稍有 不慎就会引起建筑物失稳、倾斜或开裂等一系列问题，给国家和人民带来严重损失。地 下煤矿开采引起的一系列环境岩土问题日益引起人们的重视，研究采空区对地表及其建 筑物的影响就变得非常重要。窑洞是世界上现存最多的传统居住建筑形式之一，它具有 冬暖夏凉、绿色环保、无污染、低能耗等优点，随着可持续发展和绿色建筑理念的兴起， 窑洞建筑又重新得到了社会的认可和重视，因此对窑洞这种特殊拱形结构的研究具有实 际意义。本文基于采空区地表及其窑洞结构的破坏机理，主要完成了以下几方面的工作 1 简单介绍了窑洞的破坏形式，并且对它在仅受自重的情况下进行了受力分析 与理论计算，得到无采空区影响时窑洞的变形破坏规律。结果表明当窑洞仅受白重作 用时，拱顶和拱脚处会承受土体之间较大的压力。一旦压力超过土体的极限承载力，拱 脚就会发生垂直位移的现象，引起窑洞裂缝或坍塌。另外拱脚以上两侧土体应保持一定 厚度的填土，否则也会引起拱脚发生水平位移，致使窑洞发生破坏。 2 利用F L A C 3 D 有限元分析软件分别对开采深度、开采厚度、开采宽度、不同 相对位置的各个结构状态进行模拟计算，从窑洞的位移场、应力场和塑性区具体分析其 受力变形情况。计算结果表明 ①窑洞受采空区影响时，竖向最大位移发生在拱顶处，因此在同常使用中应注重 拱圈的防护与加固；水平方向最大位移发生在拱圈与窑腿交接处；最大竖向应力发生在 窑腿底部，因此可以通过增大窑腿宽度以减小其所承受的压应力；塑性区大部分集中于 拱顶和底部进口区域。 ②位于老采空区中央正上方的窑洞沉降量最大，基础各监测点的移动变形具有对 称性；老采空区边界上方的窑洞沉降量次之，基础各监测点的移动变形失去对称性，不 均匀沉降最明显，对窑洞保护不利，应避免将其建在该区；老采空区外边缘处的窑洞沉 降量最小。 万方数据 中北大学学位论文 ⑧随着开采宽度和开采厚度的增加，窑洞产生的位移和应力值都随之递增；随着 开采深度的增加，窑洞产生的位移和应力值却随之递减。在本模拟条件下其临界深厚比 为1 6 ，此时存在对地表窑洞沉陷无明显影响的临界深厚比。当超过这一深厚比之后，采 空区存在与否，对窑洞己无明显影响，故在实际工程中，应当选择合理的开采尺寸以确 保地表及其建筑物处于安全状态。 3 通过选取影响窑洞稳定性较大的四因素三水平，设计正交试验，对其进行极 差分析。可知在本模拟试验条件下，窑洞与采空区相对位置影响最为显著，为主要因素； 其次是开采宽度和开采深度；而开采厚度的影响较小，为不重要因素。且当开采深度为 6 0 m ，开采厚度为7 m ，开采宽度为5 0 m ，窑洞位于采空区中央正上方时，拱顶沉降量 最大，约为9 4 ．2 2 r a m ，此时窑洞处于最不稳定状态。 4 煤矿开采后及时填充，可利于提高窑洞稳定性，使其沉降量明显减小，即窑 洞拱顶沉降量从9 4 ．2 2 m m 急剧减小至2 8 ．4 7 m m ，降低了6 9 ．7 8 ％。且充填材料强度越高， 充填效果越明显，窑洞沉降量越小，即采空区充填可有效解决地表建筑物的沉降变形问 题。 关键字采空区，地表变形，窑洞结构，正交试验，充填法 万方数据 中北大学学位论文 S t u d yo nt h eS t a b i l i t yo ft h eC a v eD w e l l i n ga b o v eM i n e d O u t A r e a A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ep h e n o m e n o no fu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n gi n o u rc o u n t r yi sh a sb e e ni n t e n s i f i e d ，i tc a u s e dal a r g e - s c a l eg o bc o l l a p s ea r e ai ns o m eo l d e n e r g yb a s e ．I t sp r e s e n c ew i l li n e v i t a b l ya f f e c tt h es u r f a c ea n ds u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，al i t t l e c a r e l e s s n e s sw i l lc a u s eas e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha si n s t a b i l i t y , t i l ta n dc r a c k i n go ft h e b u i l d i n g ，t ob r i n gs e r i o u sl o s s e st o t h ec o u n t r ya n dt h ep e o p l e ．As e r i e so fe n v i r o n m e n t a l g e o t e c h n i c a lp r o b l e m sc a u s e db yu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n gh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h em i n e do u ta r e ao nt h es u r f a c ea n d i t ss t r u c t u r e ．C a v ei so n eo ft h em o s tt r a d i t i o n a ll i v i n gb m l d i n g si nt h ew o r l d ，i th a st h e a d v a n t a g e so fc o o l ，c o o l ，g r e e n ，n o n p o l l u t i n ga n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ．W i t ht h er i s eo f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dg r e e nb u i l d i n gc o n c e p t ，c a v eh a sb e e nr e c o g n i z e da n dv a l u e db y t h ec o m m u n i t y , t h e r e f o r e ，i ti so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h es p e c i a la r c hs t r u c t u r e ． B a s e do nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fg o a fo nt h eg r o u n da n di t sb u i l d i n g s ，F o l l o w sa r et h em a i n w o r k si nt h i sp a p e r ． 1 T h ef a i l u r em o d e so ft h ec a v ea r eb r i e f l yi n t r o d u c e da n di nt h ec a s eo fo n l yb yt h e w e i g h to f t h es t r e s sa n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，r e s u l ti n d i c a t e st h a tw h e nt h ec a v e o n l yb yt h ew e i g h t ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs o i li sf a rl e s st h a nt h i sr e q u i r e m e n t ，a n dt h e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ea r c hf o o t ，c a u s i n gt h ec a v ec r a c k so rc o l l a p s e ．T h eo t h e rs i d eo f t h es o i la b o v et h ea r c hs h o u l db ek e p te n o u g ht h i c k n e s s ，o t h e r w i s ei tw i l lc a u s et h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to f t h ea r c hf o o t ，r e s u l t i n gi nc r a c k so fc a v e ． 2 B yF L A C 3 D f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ef o rt h em i n i n gd e p t h ，m i n i n gt h i c k n e s s ， m i n i n gw i d t h ，d i f f e r e n tr e l a t i v ep o s i t i o no fe a c hs t r u c t u r a ls t a t es i m u l a t i o n ，t h ed i s p l a c e m e n t f i e l d ，s t r e s sf i e l da n dp l a s t i cz o n eo ft h ec a v ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ．R u s u l ts h o wt h a t ． 万方数据 中北大学学位论文 C a v ea f f e c t e db yt h em i n e d o u ta r e a ，t h em a x i m u mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to c c u r sa tt h e a r c hc r o w n ，t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to c c u r sa tt h ej u n c t i o no ft h ea r c ha n dt h e k i l nl e g ，t h em a x i m u mv e r t i c a ls t r e s so c c u r sa tt h eb o t t o mo ft h ek i l nl e g ，t h ep l a s t i cz o n ei s c o n c e n t r a t e da tt h ee n t r a n c eo ft h ev a u l ta n dt h eb o s o m ． ②T h es e t t l e m e n to ft h ec a v ea b o v et h ec e n t e ro ft h eo l dg o a fi st h el a r g e s t ，a n dt h e d i s p l a c e m e n ta r e ao ft h ef o u n d a t i o ni ss y m m e t r i c a l ．T h es e t t l e m e n to ft h ec a v ea b o v et h e b o u n d a r yo ft h eo l dg o a fi st h es e c o n d ，t h ed i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h ef o u n d a t i o ni so u to f s y m m e t r y , a n dt h eu n e v e ns e t t l e m e n ti st h em o s to b v i o u s ，i ts h o u l db ea v o i d e di nt h ea r e a ． T h es e t t l e m e n to ft h ec a v ea tt h eo u t e re d g eo ft h eo l dg o a fi st h el e a s t ． ⑧W i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gw i d t ha n dm i n i n gt h i c k n e s s ，t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s v a l u e so fc a v ea r ei n c r e a s i n g ．W i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t h ，t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s v a l u e so fc a v ed w e l l i n g sa r ed e c r e a s i n g ．U n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es i m u l a t i o n ，t h ec r i t i c a l d e p t hr a t i oi s16 ，i nt h i sc a s e ，t h e r ei sn os i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es e t t l e m e n to ft h ec a v e ． V 帆l e nm o r et h a nt h i sd e e p ，t h ee x i s t e n c eo fm i n e do u ta r e ah a sn oo b v i o u si n f l u e n c eo nc a v e d w e l l i n g ．T h e r e f o r e ，i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，r e a s o n a b l em i n i n gs i z es h o u l db ec h o s e nt o e n s u r et h es e t t l e m e n to ft h es u r f a c ea n di t sb u i l d i n g si nas a f es t a t e ． 3 B yo r t h o g o n a lt e s t ，t h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ei m p a c to ft h em o s ts i g n i f i c a n t ，a st h e m a i nf a c t o r s ，f o l l o w e db ym i n i n gw i d t ha n dm i n i n gd e p t h ，m i n i n gt h i c k n e s so ft h es m a l l e r ，i s n o ta ni m p o r t a n tf a c t o r ．W h e nt h em i n i n gd e p t ho f6 0 m ，m i n i n gt h i c k n e s so f7 m ，m i n i n g w i d t ho f5 0 m ，c a v ei sl o c a t e di nt h ec e n t e ro ft h em i n e d - o u ta r e a ，t h em a x i m u ms e t t l e m e n to f t h ea r c h ，a b o u t9 4 ．2 2 m m ，t h e nt h ec a v ei nt h em o s tu n s t a b l es t a t e ． 4 T h et i m e l yf i l l i n go fc o a lm i n i n gc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ec a v e ，S Ot h a tt h e s e t t l e m e n tw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，t h a ti s ，t h es e t t l e m e n to fc a v ed o m ef r o m9 4 ．2 2 m m q u i c k l yr e d u c e dt o2 8 ．4 7 m m ，ad e c r e a s eo f6 9 ．7 8 ％．T h eh i g h e rt h ef i l l i n gm a t e r i a ls t r e n g t h ， t h em o r eo b v i o u sf i l l i n ge f f e c t ，t h es m a l l e rt h es e t t l e m e n to ft h ec a v e ，t h ef i l l i n gm e t h o dc a l l e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fs u r f a c es e t t l e m e n t ． 万方数据 中北大学学位论文 K e y w o r d s M i n e d o u ta r e a ，S u r f a c ed e f o r m a t i o n , C a v ed w e l l i n g ，O r t h o g o n a lt e s t ，F i l l i n g m e t h o d ． 万方数据 中北大学学位论文 目录 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 采空区地表及其建筑物稳定性的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 本文主要研究目的与内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 采空区地表及其窑洞结构的变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 采空区地表及其窑洞的变形机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 采空区地表与窑洞相互作用的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 ．1 采空区地表窑洞结构的变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 窑洞结构抵抗地表变形的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 窑洞结构在采空区影响下的变形情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．1 上部结构的破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．2 基础的破坏形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．4 地基与基础相互作用的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．5 地基与基础接触界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 无采空区时窑洞结构的受力与数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 窑洞结构的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．1 ．2 恒载作用下的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 ．3 水平荷载作用下的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 窑洞结构的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 I 万方数据 中北大学学位论文 3 ．2 ．1F L A C 3 D 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．3 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 ．4 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．5 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 采空区地表窑洞变形影响因素的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 采空区地表窑洞变形的影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 不同相对位置对窑洞的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．4 开采厚度对窑洞的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．4 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．4 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．4 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．5 开采深度对窑洞的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．5 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．5 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．5 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．6 开采宽度对窑洞的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．6 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．6 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 采空区影响因素的正交试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 正交试验概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 I I 万方数据 中北大学学位论文 5 ．2 仿真试验方案设计步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 正交试验方案设计及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．1 正交试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．2 正交试验的试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 采空区充填效果对窑洞的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．1 矿山充填的作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．2 充填前后窑洞结构的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ，2 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．2 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．2 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 攻读硕士期间取得的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 致谢 I I I 万方数据 中北大学学位论文 选题背景及意义 1 绪论 随着社会和经济的快速发展，我国地下采煤现象日益频繁，致使一些老能源基地产 生大规模的采空区塌陷现象【，】。煤矿采空区是地下煤炭资源开采空间，即由于地下丌采 空问围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地 表变形和破坏的区域嘲。目前许多建筑物部位于煤矿采空区上方，采空区的存在破坏了 岩体原有的应力平衡状态，当开采规模达到一定程度后，会导致地表沉陷，对处于沉陷 范围内的建筑物造成影响，严重时甚至会发生房屋倒塌、人员伤亡的事故嘲，因此研究 采空区对地表建筑物的影响具有现实意义。 山西省是煤炭大省，采空区现象更是频繁，与此同时采空区地表建筑结构的稳定性 分析已经较为成熟，但大部分都是以砌体结构或钢筋混凝土结构的房屋为研究对象，受 采空区影响的地表窑洞结构的稳定性研究却几乎没有，仅有少量文献对窑洞仅受自重的 状态进行过研究。窑洞是世界上现存最多的传统居住建筑形式之一，它具有冬暖夏凉、 绿色环保、无污染、低能耗等优点i 4 1 ，随着可持续发展和绿色建筑理念的兴起，窑洞建 筑又重新得到了社会的认可和重视，因此本文以窑洞这种特殊的拱形结构为研究对象具 有一定的实际意义。同时由于窑洞受力和用料的缺陷，其抵抗破坏的能力很弱，当遇到 外力因素影响时，很容易造成地质灾害破坏【5 ] 。例如2 0 i 1 年山西吕梁市的临县木瓜坪乡 庞塔村因煤矿的开采而发生地表塌陷等现象 如图l1 ，由于没有妥善的解决措施．村 民们目前仍牛活在塌陷区嘲。 图11 吕粱某村采空区造成的破坏示意图 1 万方数据 中北大学学位论文 本文将以该实际案例为背景，同时选山西特有的窑洞结构为研究对象，对采空区地 表及其上方窑洞结构进行稳定性分析，以确定老采空区地基和地面窑洞结构的安全性， 并提出防止和治理采空区引起地表及其窑洞破坏的有效措施，文章结论可为采空区地表 建筑的稳定性研究提供参考。 1 ．2 采空区地表及其建筑物稳定性的研究现状 老采空区地表及其建筑物变形的问题早就引起了国内外许多专家的注意与人们的 重视，同时有许多文献和报道也都大量介绍和研究了采空区上方的地表沉陷及建筑物保 护问题，并取得了一定成果【7 ] 。 1 ．2 ．1 国外研究进展 煤矿开采会引起地表沉陷等一系列破坏现象，它会造成地表建筑物 如房屋、铁路、 桥梁、高速公路等 的损坏，所以开采沉陷问题受到许多国内外人士的关注。 国外许多学者很早就开始了对开采沉陷理论的研究。早在1 9 世纪中期，人们就已 经开始对地下煤矿开采引起的地表变形和建筑物损坏问题进行了研究。德国利用井下充 填法有效地降低了由于开采引发的地表移动变形值。上世纪八十年代以来，M ．C ．W a n g 和J o n e s 等学者又分别不同地对煤矿开采引发的建筑地基的变形问题进行了详细研究 [ 8 , 9 1 。1 9 8 5 年，D r u i n 将与空洞接触的岩土全部视为理想的弹塑性材料，具体探究了在弹 性极限条件下，其空洞上部岩土体的沉陷机理及对地表的影响[ ，o 】，极大地促进了开采沉 陷学的发展。 九十年代以来，P e n gSS 等人首次提出了地表下沉值的计算公式，即【1 1 ] 。1 9 9 2 年， B e n n e t tRM 等人在此基础上又详细提出了采空区“分带原理”，具体对其上方三带分布 沉陷情况进行了阐述【1 2 ] 。Y u oL 等人利用弹塑性理论研究了岩层移动的变形情况，与此 同时通过大量实际考察与现场观测验给出了地表移动的计算方法，提出曲率半径与地表 沉陷值为反比关系，即地表倾斜值越大，水平位移越大[ 1 3 ] 。B o u g h r a r o u 和D u h n a m 等一 些学者以有限元和边界元法等原理为基础，对采空区地表变形和相关影响条件进行了具 体研究[ 1 4 ，”】。 2 万方数据 中北大学学位论文 2 0 0 7 年，XL Y a o 等人借助边界元法对采空区上覆岩体发生裂缝的力学条件、裂缝 出现的高度和位置等内容进行了详细研究[ 1 6 】。近几年来又很多学者针对大量采煤导致的 “三下”即建筑物下、铁路下、河流下发生的地质损坏，岩层移动引的地表塌陷和建筑 物破坏等进行了深入研究[ ”1 9 ] 。2 0 0 5 年，B a r y a k h A A 等学者首次提出了随时间因素变 化的动态地表沉陷预计方法【2 0 ] 。2 0 0 7 年，印度学者S i n g hKB 对地表塌陷盆地的形成机 理及预测方法进行了研究[ 2 - ] ，同年S o n i aK 等学者对柱式老采空区、浅部采空区地表沉 陷规律进行研究[ 2 2 】。2 0 0 9 年，S a a d i A 等人建立剖面函数预计地表沉降的方法[ 2 3 ] 。随后 波兰学者H e j m a n o w s k iR y s z a r d 在影响函数法的“K n o t h e ”理论的基础上，运用空间统 计的方法研究了开采沉陷问题[ 2 4 】。 1 ．2 ．2 国内研究进展 我国关于开采沉陷理论的研究较晚，2 0 世纪5 0 年代末，我国才开始对煤矿开采引 发的地表沉陷问题进行研究，并取得了相应成果[ 2 5 】。采空区上方重建抗变形结构房屋的 现象，在多个地方的矿区得到了广泛应用，其中农村平房、楼房、窑洞等建筑结构总面 积达数十万平方米[ 2 6 】。 马榕、李凤明等人以开采沉陷引起的窑洞变形破坏的规律为基础，对致使窑洞发生 变形破坏的影响因素进行了分析，同时针对窑洞自身结构及变形特点，提出了相应的保 护对策【2 7 ] 。随后谭志祥、邓喀中等人以结构力学、开采沉陷理论等为基础，并结合实际 考察，将采空区上方建筑物地基、基础和结构作为整体，建立相应的力学模型，系统地 研究了建筑物位于采动区不同位置时其附加应力的分布变化情况[ 撂83 0 ] 。刘永、张志军等 人应用F L A C 3 D 软件建立仿真模型，并采用自编接口程序，进而对该采空区地面的沉降 变形问题进行了研究【3 - 】。井征博、路世豹等人通过采用固定支座模型，人为地给柱脚支 座施加沉陷，并运用A N S Y S 有限元计算软件，具体分析了建筑结构在不同地表变形影 响下，上部结构内力的变化情况【3 2 ] 。 张健、王佳玲等人以“三下”压煤现状为背景，根据矿区实际地质和开采条件，对 地表各种变形值进行了预估计算，又运用有限元整体模型思想建立典型多层砌体结构模 型，分析砌体结构在不同工况下的墙体受力情况，并与在正常状态下的受力情况作比较， 根据分析结果，总结出开采沉陷对砌体结构的影响规律[ 33 1 。汪吉林、丁陈建等人首先利 3 万方数据 中北大学学位论文 用概率积分法计算各种地表变形值，其次利用F L A C 3 D 软件建立了三维多层状地质体模 型，反演拟合了地质体的力学参数，模拟计算了在受地面建筑物荷载作用下采空区地基 的沉降变形规律，最后通过对比注浆前后地基变形情况，确定和评价老采空区地基和建 筑物的稳定性[ 3 4 ] 。还有学者对开采引起的地表及其建筑物变形也进行了大量的深入研 究，这里就不再一一阐述[ 3 5 - 5 4 】。 现阶段关于采空区地表及其建筑物稳定性的研究己十分成熟，但是将窑洞结构作为 研究对象，具体探讨采空区地表窑洞结构稳定性的研究却几乎没有。我国目前仍然有庞 大的人群正在居住和使用着窑洞这种特殊的拱形结构，但是也出现了这样一个趋势越 来越多的人们在逐渐遗弃窑洞。造成这种现象的主要原因是由于它自身的缺点，例如与 钢筋混凝土结构、钢结构等相比，它强度