矿区煤炭开采对建筑物抗震性能扰动研究.pdf

逻I 宁I 工程技术大学 硕士学位论文 破．区．煤炭．开．采对建．筑物摭震．性熊．扰．动．研．究 旦i 曼勤蝉量墅璺熙旦 曼邕S 曼l 。曼照。姒．盹曼曼曼聃lc ．．p 旦嗍L I T I熙魏照￡e ．．Q l 。Q 墼曼媳璁g 曼。i iiI I 一一一 I■■●●⋯■1 ■ ⋯⋯i ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 鞠ii 旦曼纵i ．娩i iX ．曼Q i 酏im 曼0 觋i 巩i i i g ．熙i i ．熙骢观g ．曼曼鞠曼 ⋯⋯⋯⋯⋯●■●■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯ 作者姓名白春 指导教师刘书贤教授 工程领域建筑与土木工程 二。一五年六月 万方数据 分类号T U 3 7 5 U D C 6 2 4 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 矿区．煤炭开采对建筑物抗震性熊摭动研究 ⋯D ⋯i ⋯s t ⋯u ⋯r ⋯b 。a ．觋曼燕。l 曼曼魏曼羔A ⋯o ⋯f ⋯s ⋯e ⋯i s ⋯m ⋯⋯i c ⋯p ．．e r f ．o r m ．a ．n ．．c ．e ．Q ￡．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯’’ ．．b u ．i J ．．d i n g s ．．黑魏臻璺惶建．坠y 。艘曼J 。孵亘娶j 娶g j 魏．m i n ．i n g 。a r e a s 作者姓名 一鱼壹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～ 指导教师 一型点竖一熬援⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 申请学位 一王猩亟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 工程领域 一建筑与查工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究方向结构抗震减震与振动控制 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明＼一 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室工程堇苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意逞室工程撞苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名玉茎E 塾 Ab 年∥月手日 翩虢凇 砂晦年 } 夕月 ，日 u 一， 万方数据 致谢 本论文是在导师刘书贤教授的悉心指导下完成，导师渊博的专业知识，严谨的治 学态度，诲人不倦的高尚师德，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风 范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远，不仅使我树立了远大的学术目标， 掌握了基本的研究方向，还使我明白了待人接物与为人处事的道理。论文从选题到完 成，每一步老师都倾注了大量心血，在此向老师表示崇高的敬意和诚挚的谢意。 感谢师兄魏晓刚在论文写作和软件方面的耐心教导和帮助，并且在学习过程中为 我提出了许多宝贵意见，指点迷津，突破一道道瓶颈；感谢师姐路沙沙在生活上给予 的关心；感谢那些一起奋斗过、相互鼓励过、相互支持过的同门刘少栋、沈燕梅、吴 王平，一起奋斗过的日子永远难忘。 感谢父母赐予我生命并竭尽全力的给予我接受教育的机会，他们在我求学生涯的 道路中一直给予无微不至的关怀和照顾，一如既往的支持我、鼓励我。 最后，谢谢论文评审和答辩组中为我评阅论文和为我指出不足的各位老师。在此 祝大家身体健康、工作愉快、万事如意 白春 2 0 1 5 年5 月1 8 日 万方数据 摘要 目前，煤矿采动区建筑物抗震性能的研究，多是以刚性地基假设为条件，本文考 虑了上部结构．基础．地基三者的相互协调作用，深入探讨煤矿采动与地震联合作用下 煤矿采动区建筑物的抗震性能劣化规律。基于损伤力学理论，引入改进的双参数损伤 模型计算地震作用下煤矿采动区建筑物的楼层损伤值。在已有研究的基础上，选用有 限元分析软件A N S Y S 进行数值计算，量化分析了煤矿采动损伤建筑在地震动力作用 下的损伤演化过程，对煤矿采动损害影响下的建筑物的抗震性能劣化规律进行了分析 探讨，以期得到矿区地下煤炭开采对建筑物抗震性能的扰动规律。计算结果表明 1 由于S S I 土．结构相互作用，下文均简称S S I 效应的存在，地震波在土体 传播过程中高频部分被滤弱，低频占主导作用，一定程度上接近结构共振频率的分量 增加；考虑S S I 效应后，改变了建筑结构的自振特性，结构的动力反应曲线变得更加 均匀； 2 由于S S I 效应的存在，结构自振周期变大，自振频率变小，结构的整体刚度 变柔。同时，结合结构的顶点位移、顶点加速度和底部剪力时程曲线可知，刚性地基 底部结构较早的发生塑性损伤，耗散地震的输入能量，计算结果明显大于柔性地基； 3 由于煤矿采动的影响，建筑结构的地震动力反应增大，并且位移时程曲线 普遍朝着建筑物倾斜的方向增幅较大；这是由于煤矿采动作用引起的地表移动变形， 导致建筑倾斜致使建筑物重心位置发生偏移所导致的，加大了重力二阶效应对水平 力作用下结构位移的不利影响；结构底部产生附加变形和附加应力，采动造成的初 始损伤会使结构提前形成“柱铰机制“ 或“梁铰机制”，加剧了地震对煤矿采动建筑 物的破坏效应。 4 受煤矿采动的影响，结构的刚度分布发生变化，地震动力作用下结构底部 的刚度退化加快，结构整体刚度中心下移，一、二层层间弹塑性位移角超过规范值1 ／5 0 ， 薄弱层位置下移，主要集中在一、二层；受煤矿采动的影响，底部结构楼层损伤值急 剧增加，底部结构的易损性增加，严重削弱了建筑结构的抗震性能。 关键词采动；地震动力；损伤力学；易损性；抗震性能 万方数据 A b s t r a c t A tp r e s e n t ，r e s e a r c ho ns e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb u i l d i n gi nt h em i n i n ga r e a s ，i s b a s e do nt h ea s s u m p t i o no fr i g i ds o i l ．T h i sp a p e rc o n s i d e r st h ei n t e r a c tc o o r d i n a t i o no f u p p e r s t r u c t u r e ，f o u n d a t i o na n ds o i l ，f u r t h e rd i s c u s s e so nt h es e i s m i c p e r f o r m a n c e d e t e r i o r a t i o no fb u i l d i n g si nt h em i n i n ga r e a s ，u n d e rt h ec o m b i n e de f f e c to fm i n i n ga n d e a r t h q u a k e ．B a s e do nt h et h e o r yo fd a m a g em e c h a n i c s ，i m p r o v e dt w op a r a m e t e rd a m a g e m o d e li si n t r o d u c t e dt oc a l c u l a t et h ev a l u eo ff l o o rd a m a g eo f b u i l d i n g si nt h em i n i n ga r e a s u n d e re a t t h q u a k e ．O nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c h ，q u a n t i t a t i v e l ya n a l y s i so fd a m a g e e v o l u t i o nl a wc o a lm i n i n gd a m a g e db u i l d i n g su n d e re a r t h q u a k e ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f T h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S ．T h ed e t e r i o r a t i o nl a wo ft h es e i s m i c p e r f o r m a n c eo fb u i l d i n g si sa n a l y s i s e d ，t og e tt h ed i s t u r b a n c el a wo ft h es e i s m i c p e r f o r m a n c eo ft h eb u i l d i n gi nt h em i n i n ga r e a s ．T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 1 B e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fS S I s o i ls t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt o a sS S I e f f e c t ，t h eh i g h - f r e q u e n c yi sf i l t e r e dw e a k l y ，a n dl o w - f r e q u e n c yp l a y sad o m i n a n tr o l e ， i nt h ep r o c e s so fe a r t h q u a k ec o m m u n i c a t i o ni nt h es o i l ．P a r t l yc l o s et ot h er e s o n a n t f r e q u e n c y o ft h es t r u c t u r ei s i n c r e a s e d ．C o n s i d e r i n g t h eS S Ie f f e c t ，s e l fv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r ei sc h a n g e d ，a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s ec u r v eo ft h es t r u c t u r e b e c o m e sm o r eu n i f o r m ； 2 D u et ot h ep r e s e n c eo fS S Ie f f e c t ．v i b r a t i o nc y c l eo fb e c o m el a r g e r , s e l fv i b r a t i o n f r e q u e n c yd e c r e a s e s ，t h eo v e r a l ls t i f f n e s ss o f t ．A tt h es a m et i m e ，c o m b i n i n g 谢t 1 1t h et i m e h i s t o r yc u r v eo ft o pd i s p l a c e m e n t ，t o pa c c e l e r a t i o na n db a s es h e a r ，T h ep l a s t i cd a m a g ea t t h eb o t t o mo ft h er i g i df o u n d a t i o ni se a r l i e r ，t od i s s i p a ts e i s m i ce n e r g y ，a n dt h ec a l c u l a t i o n r e s u l ti ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h ef l e x i b l ef o u n d a t i o n ． 3 O w i n gt oi n f l u e n c ec o a lm i n i n g ，s e i s m i cd y n a m i cr e s p o n s ei n c r e a s e ，a n dt h e d i s p l a c e m e n tc u r v e si n c r e a s eg e n e r a l l ym o v i n gi nt h ed i r e c t i o no fI n c l i n e db u i l d i n g ． B e c a u s eo ft h eg r o u n dm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o ni sc a u s e db yc o a lm i n i n g ，b u i l d i n gt i l t l e a dt ot h ep o s i t i o no ft h ec e n t e ro fg r a v i t ys h i f t ，i n c r e a s et h ea d v e r s ee f f e c t so fg r a v i t yt w o o r d e re f f e c to nt h es t r u c t u r a ld i s p l a c e m e n tu n d e rt h ea c t i o no fh o r i z o n t a lf o r c e s ．T h eb o t t o m o ft h es t r u c t u r eg e n e r a t ea d d i t i o n a ld e f o r m a t i o na n ds t r e s s ．T h ei n i t i a ld a m a g ec a u s e db y c o a lm i n i n gm a k et h es t r u c t u r ef o r me a r l i l y ‘‘c o l u m nh i n g em e c h a n i s mo rb e a mh i n g e m e c h a n i s m “ , a n da g g r a v a t et h ed e s t r u c t i o ne f f e c to fe a r t h q u a k eo nc o a lm i n i n gb u i l d i n g s ． 万方数据 4 A f f e c t e db yt h ec o a lm i n i n g ，s t i f f n e s sd i s t r i b u t i o no ft h es t r u c t u r ec h a n g e s ．t h e b o t t o mo ft h es t r u c t u r es t i f f n e s ss p e e du pd e g r a d a t i o na n dc e n t e ro f r i g i d i t ys t r u c t u r eo v e r a l l d o w n w a r du n d e rt h ee a r t h q u a k e ．E l a s t i c p l a s t i cd i s p l a c e m e n ta n g l eo ff i r s to rs e c o n df l o o r e x c e e d st h es t a n d a r dv a l u eo f1 ／5 0 ，w e a kl a y e rd o w nm a i n l yc o n c e n t r a t e di nf i r s to rs e c o n d f l o o r ．A f f e c t e db yt h ec o a lm i n i n g ，D a m a g ev a l u ea n dv u l n e r a b i l i t y ，o ft h eb o R o mf l o o r i n c r e a s e ds h a r p l y ，s e r i o u s l yw e a k e n e dt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo fb u i l d i n g ． K e yW o r d s c o a lm i n i n g ；s e i s m i cd y n a m i c ；d a m a g em e c h a n i c s ；v u l n e r a b i l i t y ；s e i s m i c 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 国外煤矿采动对建筑物的损害研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 国内煤矿采动对建筑物的损害研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 煤矿采动损伤建筑研究存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 煤矿采动区建筑物抗震性能的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 煤矿采动区土．结构相互作用理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．1 土．结构相互作用的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 煤矿采动区土．结构相互作用的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 地震作用下建筑结构弹塑性动力响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．2 ．1 煤矿采动区结构分析力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．2 结构的弹塑性本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．3 土．结构相互作用影响下煤矿采动建筑的地震动力学方程⋯⋯⋯1 5 2 ．3 煤矿采动对建筑物的扰动损伤分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．1 煤矿采动影响下的地表移动变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．3 ．2 地表移动变形对建筑物的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．4 煤矿采动建筑的损伤力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．4 ．1 损伤指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．4 ．2 结构单参数损伤模型理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 万方数据 2 ．4 ．3 结构双参数损伤模型理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 煤矿采动损伤建筑的有限元数值计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 有限元数值计算软件A N S Y S 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 建立有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．3 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 地震波的选取与调整⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 4 煤矿采动损伤建筑的地震动力响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 煤矿采动引起的地表变形对上部结构的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 。2 考虑土．结构相互作用的煤矿采动建筑的动力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 煤矿采动损伤建筑弹塑性地震反应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 煤矿采动对建筑抗震性能的扰动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 l 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 5 ．2 建筑结构楼层薄弱层验算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．3 地震作用下煤矿采动建筑的易损性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 ．1 楼层极限位移计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．3 ．2 累积滞回耗能反应计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．3 ．3 楼层极限滞回耗能计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．4 建筑结构楼层损伤分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯．5 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 V 一 万方数据 学位论文原创性声明 学位论文数据集 5 7 5 8 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 课题背景及意义 1 ．1 ．1 研究背景 我国地大物博，煤炭资源储量位居首位，长久以来，煤炭资源是我国经济社会发展第 一大消费能源，对社会主义现代化建设起到了中流砥柱的作用。由于煤田分布广泛，大 多数煤矿集中在东北、华北、华东等各省区，且部分城镇、道路、水系与煤矿紧密相 连，不同程度的存在着“三下“ 压煤问题，约为1 3 7 ．9 亿吨l 。矿山开采引起的经济效益 和社会效益之间的矛盾由来已久，长期以来一直困扰着矿区经济的可持续发展。以华东 兖州矿务局为例，其下属矿区位于平原地带，经济发达，人民生产活动频繁，所以临近地 面上的村庄、各种建筑物和构筑设施较为密集，其下面分布的煤炭资源占整个矿区可开采 量的6 0 ．1 ％。为了延长矿区的生产服务年限，不可避免的将采煤工作面延伸到建筑物下， 如果矿区煤炭开采引起的一连串负面效应波及到地面，会导致地面建筑物变形开裂，基础 设施下沉损坏，农田坑洼渗水，严重困扰矿区人民的正常生产活动，是工农矛盾激化的主 要来源之一【2 引。 地面建筑设施损坏给企业带来了巨大的经济负担，各种建筑的搬迁，加固维修，每 年需要消耗大量的财力和物力。山东兖州矿区近十年搬迁村庄2 5 3 个，征地搬迁费累积多 达2 0 亿元；皖北矿务局的情况也不容乐观，近几年，平均每年支出企业总收入的四分之 一解决搬迁问题1 4 。5 】；徐州矿区采空塌陷区达1 6 1 3 3 h m 2 ，造成城内建筑物损坏、排水系统 失灵、农田变成了沼泽地、致使当地经济衰退，搬迁人口达6 ．3 2 万人1 6 】；据山西煤炭采空 区调查报告显示【7 】全省1 5 万平方公里有l ／5 是采空区，成为山西的“地下悬空寺”，当 地人称之为“血色黑洞”。太原西部的吕梁山区，有一个叫庞庞塔的村落，几乎在一夜 之间整个村落塌陷成为废墟，被无情的“黑洞”所吞噬，其实类似的塌方在山西并不少 见，长治市著名的“上党第一村”也因此变成了“鬼村”，山西昔日的“煤色经济“ 变 成了今日的“霉色经济“ 。开采沉陷损害如表1 所示例 我国大部分地区处于地质板块活跃处，是一个地震频发的国家，8 0 ％以上的矿区位于 地震多发带。矿区人民除了承受采空区塌陷地质灾害的影响，还要饱受地震所带来的创 伤。据文献【9 】资料，河北省唐山地区于1 9 7 6 年发生7 ．8 级罕遇地震，该地区伤亡人数约4 1 万，9 5 ％的房屋倒塌及生产设施被夷为平地，造成国民经济损失约5 4 亿元四川省汶川 县于2 0 0 8 年发生8 ．0 级罕遇地震，累计伤亡人数4 4 ．3 6 7 5 万，造成国民经济损失约6 9 2 0 ．1 1 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 亿元，相当于全年国内生产总值的2 ．8 1 ％因此，在矿区煤炭开采和地震作用的联合损伤 下，针对建筑物的抗震性能扰动研究应当给予高度的重视。 表1 开采沉陷损害 垒 旦垒坐垒g 宝旦 尘i 翌i 翌g 沉陷面积最大沉陷深积水面积最大积水深赔偿征地总 矿区 亩度 m 亩度 m 面积 亩 1 ．1 ．2 研究意义 煤炭资源作为我国经济社会发展的第一大消费能源，对我国的工业化进程作出了重要 贡献，随着社会主义现代化建设的全面高速发展，我国进入全面建成小康社会的攻坚克难 时期，短期内煤炭资源的地位依然难以取代，在国民生产中依然起着举足轻重的作用，其 需求量也在不断增长。由文献【3 J 可知2 0 0 9 年全国煤炭产量约为3 0 ．5 亿吨，2 0 1 0 年为3 2 ．4 亿吨，2 0 11 年为3 5 ．4 亿吨。而“三下”压煤严重制约着我国煤炭资源的开采，既不能增 加当地经济的多元性，又不利于煤炭企业的发展，因此，如何解决“三下“ 压煤问题成 为了亟待解决的问题。经济的高速发展促使煤炭资源供求紧张，煤炭资源作为化石能源 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 其储量有限，就要把“三下”压煤划到开采范围，“三下“ 压煤中6 5 ％存在于建筑物下， 此时，煤矿采动引起的地质灾害势必导致建筑物出现不同程度的损害和破坏，比如建筑物 局部产生裂缝、加剧建筑物倒塌的风险，而且还会加重地震的破坏，轻则需要维修加 固，重则需要搬迁重建。 因此，本文在许多专家研究的基础上，基于损伤力学理论，进行矿区煤炭开采对建 筑物的抗震性能扰动规律研究，是较为经济合理的提高矿区煤炭开采企业效益的有效途 径之一，同时也是保护地面建筑物的重要方法。在此基础上，将科研成果向生产实践转 化，不仅可以推进矿区企业调结构、保增长、缓解企业的经济负担，实现矿区生产与经 济建设的可持续发展，而且促进矿区民生工作又好又快发展。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外煤矿采动对建筑物的损害研究 就目前国内外对减缓煤矿采动对建筑物影响的保护措施的研究现状，主要概括为以 下三个方面【8 】一是开采措施 条带法开采、充填采空区、多工作面联合开采等 ；二是 原有建筑物的维修与加固；三是拟建抗变形建筑物，都是通过提高建筑物的抗变形能力来 抵抗地表移动对建筑物的损害。 欧洲一些国家是最早开始进行矿区煤炭开采对地表及其附属设旅负面影响研究工作 的，一些研究成果已经逐步投入生产应用。二十世纪初，德国在建筑物下安全采煤的科研 成果和生产技术处于世界先进水平，并在一些大城市霍姆贝格、挨森、帕哈姆成功的将科 研成果转化成了生产技术，顺利的采出了煤炭。鉴于德国取得了明显的经济效益，波兰在 许多科研机构相继组织科研团队开始进行这方面的课题研究。波兰科研工作者诺特的地 表变形预计理论为代表，实践应用研究成果最为丰硕，可以在不同类型的建筑物下开展相 关煤炭开采工作。 在建筑物下进行煤炭开采最重要的原则是不能影响建筑物的正常使用功能，其次是企 业的经济效益和相关的配套技术措施。目前，建筑物下煤炭开采技术应用最多和较为成熟 的是条带开采法，根据开采深度和上覆岩层构造类型计算出采留比，之后对煤层进行合理 的分割，采一条，留一条，预留下来的条带煤柱被用来支撑上覆岩层，达到减小地表变形 的目的。该技术的不足之处是回采率较低，前苏联和波兰的回采率只能达到5 0 ％．6 0 ％， 与充填法配合使用，下沉系数为0 ．0 1 5 ．0 ．0 2 E 1 0 J ；最近几十年，英国采用的房柱式开采法对 建筑物下压煤进行开采，取得的效果较为显著l l l J ；德国致力于采空区的充填法研究，主 要充填材料为炉渣和粉碎的煤矸石，根据的建筑物的使用性质选用不同的充填法，普通 建筑物采用人工充填，重要建筑物采用水力充填；保加利亚和日本还尝试采用了风力充 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 填，优点是性能可靠，可以循环利用废料，缺点是输送管道会出现不均匀磨损、堵管现 象、工作面粉尘大、气固耦合后的传输特性尚不明确，该技术目前处于试用性阶段【1 2 】； 法国采用水砂充填法一定上程度上控制或减少上覆岩层垮落带的形成，减少地表移动变形 对地面建筑物的影响的效果最佳，缺点是回采工作难度加大，后期投资成本较高。此外， 英国采用协调开采法在建筑物下采煤，在开采之前尝试对部分地面建筑物进行预先加固， 部分没有预先加固，采动影响下对比二者的影响程度，预先加固的基本没有受损，没有预 先加固的损害程度类似于其它开采方法，协调开采法减小采动对建筑物的影响有限，必须 对建筑物采取一定的预先加固措施。 除了开采措施外，还可以以建筑物的结构特性为研究对象，选择相应的保护措施，增 强建筑物的抗变形能力，达到保护建筑物的目的。这些保护措施按其力学特性主要分为两 类一类是刚性保护措施，增强建筑物整体或局部构件的刚度和强度，主要是为了提高 建筑物抵抗变形的能力；另一类是柔性保护措施，在建筑物基础和上部结构之间设置消 能层，或者是建筑物周围，吸收地表变形的能量，减小上部结构的附加应力，从而增强 建筑物适应变形的能力。常见的刚性保护措旌有设钢拉杆、钢筋混凝土项底、构造柱、 基础连系梁等柔性保护措施有变形补偿沟、变形缝、橡胶支座、水平滑动层等。为了 增强建筑物对采动扰动的抗变形能力，波兰【l 副采用锚固拉杆和刚拉杆对基础和主体结构进 行加固，建筑物下采煤引起的墙壁裂缝主要以修补技术为主，达到满足正常使用功能的要 求，为了形成强度较高的整体基础，需要设置钢筋混凝土锚固拉板，此类措施一般适用 于1 2 m m ／m ．1 5 m m ／m 的地表水平变形。前苏联事先在开采前用废钢丝对原有建筑物进行加 固，但是开采过后一段时间，建筑物还是出现了裂缝，效果不佳。德国在二十世纪5 0 年 代，开始尝试在矿区建造抗变形建筑物，这些建筑物除了满足日常生产活动的需求，还被 用作采动区建筑物保护理论的研究对象。 1 ．2 ．2 国内煤矿采动对建筑物的损害研究 新中国成立以后，百废待兴，煤炭是国民经济的命脉，为了加速新中国的工业化进程， 扩大开采范围增加产量解决供求矛盾。从六十年代开始煤炭开采留下的采空区地质灾害开 始初见端倪，逐渐引起政府和学术界的重视，开始在各大科研机构、高校投入资金开展相 关课题研究工作。以国外的科研成果、技术、理论为平台，同时与本国的实践经验相结合， 积极探索出一条中国特色的建筑物下采煤新领域。我国的条带开采法技术相当成熟【1 4 1 ， 投入生产应用后效果非常好，保证建筑物安全的前提下，在平均煤层倾角为3 2 度城市下 成功采出了煤炭；房柱式采煤法要求的条件较多且回采率较低，考虑到企业的经济效益 所以在我国应用较少，其中，以兖州矿业集团为代表一些单位，已经开始实践和不断完善 该项技术；皖北矿务局则是采用一定限厚比，进行建筑物下的煤炭开采。这些开采方式 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 都只是开采出了一部分建筑物下的煤炭，满足了经济上可行、技术上合理的原则，但是 回采率低，造成煤炭资源的浪费。针对此问题，国内的科研单位【1 5 】提出用固体废弃物充 填，实现了不拆迁采煤的新方法。中国矿业大学的郭广礼教授【1 6 1 提出的“三步开采发“ ， 首先以条带法为基础进行开采，其次是采用填充材料对条带开采留下的采空区进行固结， 固结完成后回采剩余的条带；杨伦对离层注浆法的下沉系数进行了修正，重新对我国部分 矿区的离层注浆减沉效果进行了计算，认为我国的离层注浆减沉试验效果是真实值的 1 5 ％．2 0 ％，接近于波兰的试验结果。这些方法理论为采动区建筑物保护提供了新思路， 同时丰富了开采沉陷控制理论。 我国不只是停留在通过开采措施控制地表变形这个层面，最近几十年在全国好多地 方兴建了各种类型的抗变形建筑物，湖南资江煤矿于1 9 7 8 年建造了抗变形俱乐部，之后 短短几年，抗变形结构房屋在全国各大矿区得到了广泛的推广，特别是在兖州、平顶 山、阳泉、峰峰、徐州等这些老矿区备受推崇，中国煤炭科学研究总院研制出了在原有 建筑物上增设水平滑动层的方法，很大程度上了减小了水平变形对建筑物的影响【1 7 ．1 9 】； 中国矿业大学通过多年研究，认为可以在基础下面设置千斤顶调整地表不均匀沉降对基础 的影响，采用这一方法主持修建了“百团大战”纪念碑1 2 0 J ；中国煤炭科学研究院开发了一 种盒子房屋，通过在现场预制整个房屋的结构盒子，从预制到生产一条龙作业模式，在矿 区试验性投产进行了相关抗变形检验，盒子结构房屋具有较好的整体刚度和强度，并且 便于搬迁，抗变形能力强[ 2 1 J 。 经过几十年的研究，采动区建筑物保护理论取得了长足发展，中国矿业大学的夏军 武对矿区煤炭开采引起的框架结构附加内力进行了推导，从理论上揭示了采动引起的地表 变形对建筑物的作用机理和采动区框架结构的附加变形和附加内力的演化规律，通过物 理相似模拟试验和三维计算有限元模型，对框架结构整体稳定性影响因素进行了分析研 究，初步确定出框架结构承受地表移动的极限能力，最后开发了保证框架结构整体稳定 性的主动抗变形技术【2 2 。2 5 】；青岛理工大学的于广明、路世豹等认为由采动导致地表建筑 物产生的初始变形和损伤，在强震动场中，将地基土体假设为理想的刚性地基，不考虑 S S I 效应，研究了不均匀沉降对建筑物的灾变破坏机理及其倒塌机制[ 2 6 ．3 0 】；刘书贤、魏晓 刚等，立足于现有研究的基础上，深入分析了采动与地震联合作用下建筑物的灾变演化机 制，提出了采动区抗开采沉陷隔震保护体系，为我国矿区建设的可持续发展提供坚实的 理论基础和技术支持【j 副。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 煤矿采动损伤建筑研究存在的问题 结合以上分析，由于矿区地形的复杂性，存在着众多的不确定影响因素，在矿区煤炭 开采对建筑物抗震性能的研究中，采动区建筑物的破坏与其所处在的开采沉陷盆地的位 置、建筑物的结构类型、地表移动类型、开采方向与建筑物长边的关系、基础结构类 型、地基土体的性质等密不可分。建筑物的基础为了适应采动引起的负效应会产生一定 的变形协调量，当基础的这种变形协调能力不足以抵抗地表变形时，上部结构不可避免的 就会产生附加应力，在煤矿采动损伤建筑抗震性能研究中，应该加以考虑这种