采动曲率变形对地表建筑物的影响研究.pdf

分分 类类 号号 密密 级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 目 采动曲率变形对地表建筑物的影响研究 英文并列题目 研究生姓名 陈胜云 学 号 2011510616 专 业地图制图学与地理信息工程 研 究 方 向 3S 集成技术与应用 导 师 姓 名 胡海峰 职 称 副教授 学位授予单位太原理工大学 论文提交日期 2016/05 地 址 山西太原 太 原 理 工 大 学 Study on the Influence of Mining Curvature Deation on Ground Surface Buildings 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 采动曲率变形对地表建筑物的影响研究 摘 要 煤炭资源在我国经济的发展中发挥了非常重要的作用，但是在煤炭资 源的开采过程中也引起了较大的地表移动破坏，进而对地表的建筑物产生 了严重的破坏。 本文主要研究和分析了采动区地表移动变形规律， 以及建筑 物受到地表移动变形影响后的变形规律，重点研究采动区地表曲率变形对 建筑物的影响， 并建立了建筑物受到采动曲率变形作用的影响模型， 以及建 筑物墙体受到破坏产生裂缝的预计模型。 本文选取了竖直移动、水平移动和水平变形三个物理量来揭示建筑物 墙体受到采动曲率的作用，并采用概率积分法对三个物理量进行预计计算。 根据墙体能承受的最大拉应力与水平变形之间的关系，本文确定了墙体发 生裂缝的大小与受到的采动曲率大小之间的关系。在此基础上利用 Comsol Multiphysics有限元分析软件对单面墙体受地表曲率变形破坏进行数值模拟， 分析得到墙体产生裂缝的规律。最后选取了晋南某矿工作面上方建筑物为 例，验证了本文研究内容的合理性和实用性。 本文得到以下研究成果（1） 建筑物单面墙体受到采动曲率变形影响后， 其竖直移动、 水平移动和水平变形的预计公式。 （2） 单面墙体受到破坏后产 生裂缝大小的预计方法， 以及裂缝形状及位置的判断。 （3） 墙体在受到不同 等级的地表正负曲率变形影响时其应力和应变分布规律。以上成果为煤矿 在开采中保护地表建筑物提供指导作用。 关键字开采沉陷，曲率变形，墙体变形预计，数值模拟，概率积分法 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON THE INFLUENCE OF MINING CURVATURE DEAT ON GROUND SURFACE BUILDINGS ABSTRACT Abundant coal resources play a very important role in the economic development of our country, but in the process of coal resources mining has also caused a great damage of surface movements, and then produced serious damage to surface buildings .In this paper, we mainly study and analysis the law of surface movements and deation of mining area, and subject to the building after the movements and deation of surface, focusing on the influence of mining area surface curvature deation on the buildings, and the establish the impact model of buildings by mining curvature deation , as well as damage to the building wall cracks prediction model. In this paper, three physical quantities of vertical movement, horizontal movement and horizontal deation are selected to reveal the effect of the curvature of the building, and using the probability integral to calculate the three physical quantities. According to the relationship between the maximum tensile stress and the horizontal deation of the wall, the relationship between the size of the crack and mining curvature is determined. On this basis, using the Multiphysics Comsol finite element analysis software to simulate the deation and failure of the surface curvature of the single side wall, and get the law of the 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV crack in the wall. In the end, selecting buildings above the working face of a mine at Jinnan as an example to verify the reasonableness and practicability of the study. In this paper, the following results are obtained 1The prediction equation of vertical movement, horizontal movement and deation of the buildings’ single side wall are affected by mining curvature deation. 2The prediction of crack size and the judgment of the shape and position of the crack after the destruction of one side wall. 3The distribution law of stress and strain of the wall under different levels of surface positive and negative curvature. The above results provide guidance for the protection of surface buildings in coal mining. KEYWORDS mining subsidence, curvature deation, wall deation prediction, numerical simulation, probability integral 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目录 目录 第一章 绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 研究的背景及意义 .............................................................................................. 1 1.1.1 研究的背景 ............................................................................................... 1 1.1.2 研究的意义 ............................................................................................... 2 1.2 国内外研究动态 .................................................................................................. 2 1.2.1 采动曲率变形对建筑物变形影响研究现状 ........................................... 2 1.2.2 建筑物受力变形研究现状 ....................................................................... 4 1.3 本文研究的主要内容及方案 .............................................................................. 4 1.3.1 研究内容 ................................................................................................... 4 1.3.2 研究方案 ................................................................................................... 5 第二章 采动区建筑物变形规律 ...................................................................................... 7 2.1 采动区地表移动变形形式及规律 ...................................................................... 7 2.1.1 地表移动变形形式 ................................................................................... 7 2.1.2 地表移动变形指标参数 ........................................................................... 8 2.1.3 地表移动盆地的形成及规律 ................................................................... 9 2.2 采动区建筑物的变形规律 ................................................................................ 10 2.2.1 地表变形对建筑物的影响 ..................................................................... 10 2.2.2 盆地不同位置建筑物的影响 ................................................................. 13 2.3 采动曲率变形作用下建筑物变形预计模型 .................................................... 14 2.4 本章小结 ............................................................................................................ 15 第三章 建筑物单面墙的变形预计及编程实现 ............................................................ 17 3.1 概率积分法理论知识 ........................................................................................ 17 3.1.1 基本原理概述 ......................................................................................... 17 3.1.2 半无限开采时地表移动变形 ................................................................. 19 3.1.3 有限开采时地表移动变形计算 ............................................................. 22 3.2 建筑物单面墙体变形预计 ................................................................................ 24 3.2.1 预计模型 ................................................................................................. 24 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.2.2 预计的积分区域 ..................................................................................... 25 3.2.3 单面墙移动变形预计公式 ..................................................................... 29 3.3 墙体变形预计程序 ............................................................................................ 31 3.3.1 龙贝格求积公式法的应用 ..................................................................... 31 3.3.2 程序总体框架 ......................................................................................... 32 3.4 预计计算分析 .................................................................................................... 33 3.4.1 积分区域及预计参数 ............................................................................. 33 3.4.2 地表发生正曲率变形 ............................................................................. 34 3.4.3 地表发生负曲率变形 ............................................................................. 35 3.5 墙体裂缝预计 .................................................................................................... 36 3.5.1 预计理论模型 ......................................................................................... 36 3.5.2 预测分析 ................................................................................................. 37 第四章 采动曲率变形作用下单面墙破坏有限元分析 ................................................. 41 4.1 有限元理论基础 ................................................................................................ 41 4.2 Comsol Multiphysics 有限元分析软件 ............................................................ 41 4.2.1 基本简介 ................................................................................................. 41 4.2.2 建模步骤 ................................................................................................. 42 4.3 模型建立 ............................................................................................................ 44 4.3 材料参数选择 .................................................................................................... 45 4.4 模拟结果分析 .................................................................................................... 45 4.4.1 地表正曲率变形 ..................................................................................... 46 4.4.2 地表负曲率变形 ..................................................................................... 49 第五章 实例验证 ............................................................................................................. 53 5.1 实例概况 ............................................................................................................ 53 5.2 实例分析 ............................................................................................................ 54 5.2.1 采煤地质概况 ......................................................................................... 54 5.2.2 地表采动曲率变形预计 ......................................................................... 54 5.2.3 墙体裂缝预计 ......................................................................................... 55 第六章 结论与展望 ......................................................................................................... 57 6.1 结论 .................................................................................................................... 57 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 6.2 展望 .................................................................................................................... 59 附录 1 ............................................................................................................................... 61 参考文献 .......................................................................................................................... 65 致谢 .................................................................................................................................. 69 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究的背景及意义 1.1.1 研究的背景 我国煤炭资源丰富，尤其是华北地区，但是在开采过程中受到地面建筑物、水体、 公路（简称“三下”）的限制。 “三下”的压煤量达到百亿吨[1]，因此研究“三下”开采， 最大限度的利用资源尤为重要，也是许多学者一直研究的重点。 “三下”开采是现今诸多煤矿共同面临的难题之一。水体下采煤会使得水体循环遭 到不可逆转的破坏，有甚者在开采过程中发生透水事故，对煤矿造成巨大伤亡和损失； 公路下采煤将破坏国家的基础设施，对地面的交通造成很大的破坏；建筑物下采煤的危 害是破坏地表的建筑物，使其失去功能，造成巨大损失。目前“三下”开采采用的主要 措施是留设保护煤柱，但是这将造成大量的煤炭资源滞留在地下，浪费大量的资源。 地下煤层开采后，采动区地表发生移动变形，使得采动区建筑物发生破坏变形。根 据有关规定， 建筑物的破坏等级分为四级， 较轻程度的破坏是需对建筑物进行加固维修， 严重破坏的建筑物需要拆迁重修。 国内建筑物下采煤的问题主要在一些老的矿区和地方 或个体小煤窑，由于缺乏必要的生产图纸、关键的技术支持、留设相应保护煤柱等，使 得这些煤矿在建筑物下采煤不合理。虽然近几年国家对煤炭行业进行整合，加大煤炭开 采的监管以及对保护建筑物的投资力度，但是建筑物下压煤开采依然存在很大问题。 建筑物下压煤量达到 78.2 亿吨[1]，其中 60为村庄压煤[4]，村庄内居民的房屋分布 比较散落且建筑物的结构抗变形能力较差。 对村庄下压煤不合理的开采而导致居民房屋 的破损，使得民宅无法居住，这必将引起居民与煤矿之间的纠纷，严重影响了煤矿与当 地居民之间的和谐关系，双方都收到经济利益损失。采动区建筑物被破坏后，煤矿就要 为建筑物的加固、村庄的搬迁重建付出高额的经济赔偿，为此煤矿每年需投入大量的人 力、财力和物力。例如山东兖州矿区一年就要付出高达 6000 多万元用于土地赔偿，另 外用于村庄搬迁费用将达到 5000 万元，且实际情况是村庄无处可迁[2]。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.1.2 研究的意义 近些年来国家的发展和建设突飞猛进，煤炭行业也进入一段高速发展阶段，随之带 来的是煤矿开采引起的地表破坏以及地质灾害的频发， 例如出现地表大裂缝、 山体滑坡、 塌方等等。我国 80以上的煤田上方有工厂、城镇或是村落，各个矿区在开采过程中都 存在建筑物下采煤的问题。针对建筑物下采煤特点，国内外科研人员对采动区建筑物的 损坏进行了大量的监测和研究，从采煤工艺到建筑物自身结构特征，均取得了丰硕的研 究成果。 但是随着建筑物下煤层不断的被开采， 通过对采动区地表建筑物的观测和调查， 发现现有的理论并不能很好的揭示建筑物受到采动影响的破坏规律， 也存在不相符的情 况。 因此应用新理论新方法对采动区建筑物变形规律的研究， 定量预测分析建筑物变形， 成为研究建筑物下采煤的重要方向之一。而且，这些研究成果将对建筑物保护煤柱设计 以及建筑物的加固防护提供理论基础， 对提高煤矿工作面回采率和减小建筑物破坏具有 重大而深远的意义。 1.2 国内外研究动态 外国的科研人员很早就对矿区工作面地表进行变形监测从而获得大量的监测数据， 分析了地表的变形规律。 国内科研人员在研究如何利用科学的开采技术来控制地表的移 动变形， 以及采取合理有效的手段对采动区地表建筑物进行加固等方向上都进行了大量 的实验和研究，从而在理论和实践上取得了有意义的成果[3-6]。 1.2.1 采动曲率变形对建筑物变形影响研究现状 矿区地表在地下煤层采出之后，地表发生移动变形使得建筑物地基发生变形，建筑 物基础及墙体也受到破坏影响。其中，建筑物受地表曲率变形破坏影响较大，这是由于 地表发生曲率变形后，其初始形状发生改变。正曲率变形作用下地表由原来的平面变为 “凸”弧面；负曲率作用下地表由平面变为“凹”弧面。国内外学者对此进行了多方面 的研究MarcC.Btournay 研究了地下采动对地表各类建筑的影响[7]。Gilbride.I 建立了 采动区环境影响的三维数字化模型[8]。Bogdan Dzegniuk 和 Tadashi Nishida 对采动区建 筑物的损害评价体系进行研究，并提出了防治措施[9-10]。Helmut Kratsc 撰文详细分析了 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 地表移动变形对建筑物的影响[11]。 任刚通过基于广义影响函数法建立了表面应力和应变 模型，得到表面位移和表面应力之间的函数关系[12]。Eray Can 等人在科兹卢土耳其的矿 区研究开采沉陷对砌体房屋的影响以及房屋受损的图像表明 地下岩层的位移会导致地 表运动，不利于砖石尤其是在硬煤地区的建筑物[13]。Agnieszka Malinowska 提出将施加 分类和回归树理论（CART）用于评估混凝土建筑的损坏，造成表面变形的框架。提出 的研究介绍了用 CART 来确定建筑物破坏损害的等级。 由于提出的方法是基于已知下沉 量，所以该方法适用于任何已知地表下沉的区域[14]。A malinowska（2011）在波兰某一 矿区采用模糊推理方法结合 GIS 功能建立一个整合影响损伤风险， 研究地表变形和建筑 物损害的不同因素，考虑到数据和专家的评估主体性的不确定性[15]，提出了规划建成区 用途的区域规划图，用于划分地下开采有关的沉陷区，结果分为三个区域即对计划发 展影响较低区域，经济上可以接受的影响区域，对计划发展影响极大区域[16]。Andrzej Kowalski 和 Eligiusz Jędrzejec 研究了倾斜变形和曲率变形两种变形的指标，在确定其变 化值得情况下，这两种变形的指标可被认为损坏的建筑物体的危害评估。因此能确定对 于所有单独的形变指标波动的置信区间，即使在预测单独曲率值低的情况下，在考虑其 自然分散时它们的值是显著更高[17]。 胡海峰、廉旭刚[18]研究了在两种特殊的地质条件下地面破坏程度预测模型 （1）厚 松散层薄基岩； （2）薄松散层厚基岩。冯宝红[19]利用综采面地表移动观测站数据处理成 果和外业数码相片，分析了建构筑物破坏现象产生的机理及其影响规律。邓喀中、谭志 祥[20]-[21]基于现场实测资料和理论分析，获得了采动区建筑物移动变形特性。吴戈[22]建 立地基与墙体基础之间相互作用模型， 推导出建筑物产生的附加弯矩和附加剪力计算公 式。谭勇强[23]从动态的变化过程研究采动曲率变形在发展过程中的规律，探讨了不同等 级的采动曲率变形对建筑物的破坏影响规律， 给出了在设计建筑物地基和基础时有利的 建议。秦杰、朱炯[24]等人利用有限元分析软件对砌体结构的房屋受到采动曲率影响进行 模拟分析，并第一次提出了预制混凝土窗框保护措施。谭志祥、邓喀中[25]利用相似材料 模拟试验模拟研究了采动区建筑物的动态变形过程，揭示了其动态变化的规律，并提出 研究采动区建筑物的梁弯曲理论。姚文华、宋选民[26]利用概率积分法预计地表受采动影 响后的破坏程度和范围，对比实测的地表破坏程度和范围，合理的确定了开采沉陷引起 的地表破坏移动范围，为矿区建筑物的损坏等级的评定提供了依据。朱庆伟、蒋军[27]采 用大型数值模拟软件 FLAC3D对大采高浅埋深土层条件下的地表桥梁建筑物进行开采沉 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 陷预计，初步确定了沉陷影响的范围。陆晋湘、张志宏[28]对大量的开采沉陷引起地表沉 陷破坏观测资料进行分析研究， 总结了地表的移动破坏对地表环境和采动区内的建筑的 破坏规律。梁为民、郭增长[29]通过对建筑物结构、基础和地基之间协同影响的研究，提 出了他们之间的协调工作的思想。 1.2.2 建筑物受力变形研究现状 建筑物受到破坏影响的一个重要因素就是其自身的材料与结构， 不同的材料和结构 其承受的最大变形量不同，因此所能承受的地表最大变形也是不同的。在这方面很多科 研工作者进行大量的实验和研究，并取得了有重要实际意义的研究成果。 前苏联[30]布克林斯基，通过观测分析得到地基反力与采动曲率之间的变化关系。赵 文兰、刘立新、王仁义[31][32]通过对砖砌体施加竖向压力，测定其变形与施加压力之间 的关系，从而得到了该材料的弹性模量、泊松比之间的关系式。谭志祥、邓喀中[33][34] 经过对采动区建筑物变形和地表变形进行实测， 分析得到建筑物和地表变形之间的关系 式，同时得到墙体裂缝宽度与地表曲率变形和水平变形之间的关系式。张俊英[35]对采动 区建筑物地基反力进行阶段观测，对实测阶段和数据分析研究后，将建筑物变形过程划 分为平稳变化段、剧烈变化段和平稳变化段。仲继寿、秦杰[36][37]等人建立建筑物与工 作面边界斜交时建筑物附加作用力计算公式，并对其进行了有限元模拟分析。于广明[38] 建立了岩层、煤层、基础、地基和上部结构整体力学模型，并进行了弹塑性分析。 1.3 本文研究的主要内容及方案 1.3.1 研究内容 矿区地表建筑物在工作面开采过程中免受或是较小程度的受到采动影响， 是煤矿和 居民共同的希望， 科研工作者在利用已有的资料和理论基础上研究地表建筑物受采动影 响的规律和大小，是对煤矿开采的最重要指导作用。在前人研究地表曲率变形对建筑物 变形影响的基础上，结合科研项目阳煤集团煤矿地表沉陷灾害预测及治理对策研究 发现的实际问题，确定本文主要研究内容如下 （1）采动区地表移动变形的规律及不同地表移动变形作用下建筑物变形规律。 （2）受到地表曲率变形作用后，建筑物墙体的变形预计，包括三个指标的预计计 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 算，竖直移动（W） 、水平移动（U）和水平变形（i） 。 （3）墙体受到破坏后产生裂缝大小及位置的预计。 （4）利用有限元模拟软件分析地表采动曲率变形下建筑物墙体的应力应变规律。 （5）实地调查建筑物损坏以及墙体裂缝进行验证。 1.3.2 研究方案 本文确定了以上研究内容后制定了如图 1- 1 所示的研究技术方案。 图 1- 1 技术路线图 Fig.1-1 Technology roadmap 开采损害学中介绍了煤矿采动后地表发生移动变形的基本规律和预计方法； 材料力 学中对各种材料的性质和力学参数做了详细的说明； 国内外的相关文献展示了科研工作 者在该领域的研究成果。首先对这些内容进行认真学习并掌握，对采动曲率变形下的建 筑物墙体进行建模，并利用概率积分法分析推导得到建筑物墙体变形预计公式；然后根 据墙体的材料性质以及其最大承受的极限变形，建立墙体裂缝产生物理模型，进而预计 裂缝产生的大小及位置； 其次利用有限元分析软件模拟采动曲率变形对建筑物墙体的影 响；最后对本文做一个结论总结以及本文有待提高和改善的几个方面。 根据研究的内容确定本文的章节如下 第一章为绪论部分，论述了本文研究背景和意义，以及国内外主要的研究动态，最 后确定了本文的内容及研究方案。 第二章为建筑物受采动影响变形规律，从采动区地表移动变形规律入手，分析地表 移动变形对建筑物的影响规律，重点分析采动曲率变形对建筑物的破坏影响。 第三章为理论研究部分， 论文采用概率积分法原理推导出墙体受地表曲率变形破坏 后发生的变形量计算，包括三个指标竖直移动（W） 、水平移动（U）和水平变形（i） ； 资料收集与整理 理论研究 数值模拟研究 结论与展望 材 料 力 学 开 采 损 害 学 参 考 文 献 力 学 模 型 模 拟 计 算 结 果 分 析 理 论 模 型 理 论 推 导 软 件 实 现 结 论 展 望