煤礦巷道與采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力災(zāi)變及地面建筑抗震性能劣化研究.pdf

1、中國(guó)礦區(qū)由于煤炭資源持續(xù)高效的開采形成了大量形式各異、大小不一、縱橫交錯(cuò)、立體分布的采空區(qū)，而隨著土地資源的日益緊張及工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的建筑物、橋梁、輸電塔以及隧道等各類基礎(chǔ)設(shè)施不可避免的要建在煤礦采空區(qū)場(chǎng)地上，但是煤礦采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性是否滿足建造建筑物的條件值得商榷，并且煤礦采空區(qū)巖層的移動(dòng)變形導(dǎo)致地表塌陷以及地面建筑損傷倒塌現(xiàn)象異常嚴(yán)峻.煤層開采過(guò)程中不可避免的要面臨各種擾動(dòng)荷載的動(dòng)力破壞效應(yīng)，但礦山建設(shè)設(shè)計(jì)中較少考慮

2、地震等各種動(dòng)力災(zāi)害對(duì)礦區(qū)地下工程結(jié)構(gòu)的影響及破壞.中國(guó)有80％以上的礦區(qū)處于在強(qiáng)地震區(qū)，但卻沒(méi)有專門細(xì)致化的礦山地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法及抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，地震作用下煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性、煤礦巷道結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)、采空區(qū)與地面建筑動(dòng)力響應(yīng)的相互影響問(wèn)題是研究煤礦采空區(qū)的地震安全不可回避的重要問(wèn)題。
　　本文基于彈塑性力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及礦山開采沉陷學(xué)，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、試驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，圍繞煤礦采空區(qū)及地下結(jié)

3、構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)及地面建筑抗震性能劣化問(wèn)題開展研究工作，本文主要進(jìn)行了以下研究工作并取得了一些有益的研究成果:
　　(1)通過(guò)建立煤礦采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)變形的彈塑性力學(xué)分析模型，得到了煤礦采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形破斷的力學(xué)判據(jù);探討了煤礦采動(dòng)影響下的煤礦采空區(qū)巖層的位移變化與應(yīng)力分布演化區(qū)域，指出了裂隙巖體的卸壓保護(hù)原理:煤炭開采過(guò)程中巖體中的彈性能會(huì)及時(shí)釋放，既及時(shí)釋放了巖體的災(zāi)害能量避免了礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，又可以起到降低巖層的礦山壓

4、力保護(hù)巷道結(jié)構(gòu)的作用。
　　(2)建立了煤柱的地震動(dòng)力響應(yīng)模型，重點(diǎn)探討了地震作用下煤礦采空區(qū)煤柱內(nèi)力響應(yīng)、應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，得到了煤柱的地震損傷破壞規(guī)律:在上覆巖層的自重作用下，在煤柱的內(nèi)部明顯形成了彈性區(qū)、塑性區(qū)、破裂區(qū);地震作用下煤柱的塑性區(qū)不斷向內(nèi)部演化發(fā)展，破裂區(qū)逐漸增大，核心彈性區(qū)減小，導(dǎo)致煤柱破壞面的摩擦阻力及巖層內(nèi)部的黏聚力減小，降低了對(duì)煤巖的約束作用，煤柱出現(xiàn)剝離脫落，最終整體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象;煤礦巷道不同部位的初始損

5、傷對(duì)其失穩(wěn)破壞的模式有較大影響與區(qū)別，對(duì)于煤礦巷道結(jié)構(gòu)的頂板、幫部屬于高應(yīng)力集中易損傷破壞位置，需要予以重視采取合理的防護(hù)措施。
　　(3)研究了煤礦巷道同一截面不同區(qū)位（頂板、底板、幫部）地震動(dòng)力響應(yīng)的差異，探討了不同截面形狀的煤礦地下巷道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力破壞特征及影響因素，得到了煤礦巷道地震動(dòng)力響應(yīng)特征及破壞模式:淺埋煤礦巷道的抗震性能相對(duì)較差，但深埋煤礦巷道的抗震性能受地應(yīng)力的影響較大，其安全穩(wěn)定性能不易保證;圓形巷道的抗震性

6、能相對(duì)最好，半圓拱形巷道次之，矩形巷道的抗震性能最弱;低頻率的地震動(dòng)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)體系的影響較大，隨著地震荷載頻率的增加，煤礦巷道頂板和幫部的峰值位移響應(yīng)上呈現(xiàn)出“先增加后減小最終平緩變化”的變化趨勢(shì);地震波在地表的放大效應(yīng)加劇了近地表淺埋煤礦巷道的動(dòng)力響應(yīng);煤礦巷道的埋置深度較深時(shí)，圍巖介質(zhì)具有較強(qiáng)的約束作用，可以降低煤礦巷道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)。
　　(4)探討了巖體損傷后考慮強(qiáng)度降低剛度劣化的損傷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)比分析了損傷

7、效應(yīng)對(duì)煤礦地下巷道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力災(zāi)變的影響，研究表明地震波的沖擊作用在引起煤（巖）層發(fā)生振動(dòng)的同時(shí)又增加了巷道圍巖的附加荷載，嚴(yán)重降低了巷道圍巖的承載能力;地震作用下煤礦巷道結(jié)構(gòu)的頂側(cè)部和幫部是高應(yīng)力集中區(qū)域，考慮強(qiáng)度降低剛度劣化的損傷效應(yīng)的煤礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)體系的巖層塑性破壞區(qū)域明顯低于不考慮損傷的巷道圍巖的塑性破壞區(qū)域;地震作用下煤礦巷道及圍巖的受迫振動(dòng)形式與地震波的基本振動(dòng)形式接近，圍巖介質(zhì)的主要作用是傳播效應(yīng)、能量吸收與遷移效應(yīng);

8、考慮損傷效應(yīng)的煤礦巷道結(jié)構(gòu)同一截面不同部位的加速度、峰值位移和內(nèi)力響應(yīng)有所降低，考慮損傷效應(yīng)的煤礦巷道圍巖介質(zhì)的“減震層”效應(yīng)可以減緩和協(xié)調(diào)巖層的變形，其耗能能力得到提高，有效降低了地震的傳播能量以及圍巖的變形量.地震橫波對(duì)煤礦巷道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力破壞主要體現(xiàn)在水平剪切作用，縱波對(duì)煤礦巷道結(jié)構(gòu)的破壞作用主要以拉伸壓縮的形式體現(xiàn)，在一定程度了增加巷道結(jié)構(gòu)的荷載;總結(jié)了考慮圍巖損傷效應(yīng)的煤礦采動(dòng)裂隙圍巖介質(zhì)的卸壓—耗能—減震特性控制煤礦采動(dòng)損傷巖

9、層地震動(dòng)力響應(yīng)的原理。
　　(5)探討了地震波作用于巖體時(shí)應(yīng)力波性質(zhì)的改變;重點(diǎn)分析了地震波在考慮充填效應(yīng)的煤礦采空區(qū)圍巖介質(zhì)與充填材料不同介質(zhì)之間的傳播衰減特性，指出了充填后煤礦采空區(qū)的地震動(dòng)力穩(wěn)定性的條件，研究發(fā)現(xiàn):地震波對(duì)巖體（煤柱）的動(dòng)力破壞效應(yīng)主要體現(xiàn)在壓縮破壞、拉伸破壞、共振破壞;穩(wěn)定性較好的煤礦采空區(qū)在采用充填材料進(jìn)行充填后，充填巖體的強(qiáng)度需要滿足σb+kσa≥σ'的條件就可以保持煤礦采空區(qū)的地震動(dòng)力穩(wěn)定性;煤礦采空

10、區(qū)的存在可以減緩地表的地震動(dòng)力響應(yīng)，但強(qiáng)震作用下煤礦采空區(qū)則成為加劇地表大面積坍塌動(dòng)力失穩(wěn)的隱患;地震發(fā)生后煤礦采空區(qū)地表的地震動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)較小，充填后煤礦采空區(qū)充填材料及移動(dòng)破斷的巖層的強(qiáng)度降低、剛度劣化、阻尼和耗能能力得到增加，有效的吸收了地震波的災(zāi)害能量;地震作用下煤礦采空區(qū)群場(chǎng)地的危險(xiǎn)性要高于單一煤礦采空區(qū)的場(chǎng)地。地震作用下煤礦采空區(qū)加速響應(yīng)的振動(dòng)形式與原激勵(lì)震源相近，但存在著在時(shí)間上滯后并有所延長(zhǎng);在此基礎(chǔ)上提出了“煤矸石充填

11、+裂隙巖體復(fù)合減隔震層”保證煤礦采空區(qū)地震動(dòng)力穩(wěn)定性及地面建筑抗震安全的理念。
　　(6)礦區(qū)復(fù)雜多變的災(zāi)害演化系統(tǒng)是涉及到固體、液體、氣體等多相耦合的致災(zāi)系統(tǒng)，礦區(qū)復(fù)雜環(huán)境下建筑物抗震性能劣化主要受環(huán)境與荷載、材料、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)四方面的因素影響:惡劣自然環(huán)境與復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的耦合效應(yīng)是礦區(qū)建筑抗震性能劣化的驅(qū)動(dòng)力，材料的破壞是礦區(qū)建筑物抗震性能劣化的根本原因，構(gòu)件的破壞是礦區(qū)建筑物抗震性能劣化的宏觀表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性能的劣化是建筑物抗震性

12、能劣化的直接原因。對(duì)于多煤層重復(fù)開采影響下的建筑物的損傷破壞，煤礦重復(fù)采動(dòng)是產(chǎn)生高強(qiáng)度采動(dòng)災(zāi)害應(yīng)力的起因。
　　(7)探討了煤礦采動(dòng)損傷建筑的地震災(zāi)變演化機(jī)制，指出了地震作用下煤礦采動(dòng)損傷建筑抗震性能劣化致災(zāi)的過(guò)程，分析了煤礦采動(dòng)損害與地震動(dòng)力破壞這兩種災(zāi)害荷載對(duì)建筑物的成災(zāi)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)地下煤炭開采改變了煤礦采空區(qū)的地震波動(dòng)場(chǎng)，煤礦采動(dòng)損害對(duì)建筑物的損傷主要集中于下部樓層，地震作用下煤礦采動(dòng)損傷建筑物的結(jié)構(gòu)薄弱層可能會(huì)形成塑性鉸