山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物荷载对采空区影响的研究

指导教师：范留明 徐拴海
摘 要
随着国民经济的发展， 土地资源日益紧缺。 在大面积的采空区的上方基础建设已不可 避免的出现。在上部建筑物的作用下已经稳定的采空区，是否会产生新的变形、以及产生 的变形是否会对新建的建筑物产生破坏等一系列问题很现实的摆在了人们的面前。 对于新 建建筑物对采空区影响的研究具有重要的工程实际意义。 本文以山西省晋城市某煤矿采空区内需新建建筑物为工程为背景， 通过收集该矿区采 空区现场资料、开采情况、原有的地貌变形、地质构成和各岩层的物理力学参数以及对采 空区顶板的厚度、跨度和宽度进行统计分析。运用 ANSYS 有限元软件建立数值模拟计算 模型，模拟分析在自重应力场的作用下，地下采空区的存在对地表变形的影响。分析地下 采空造成的地表变形， 以及变形的规律与特征， 分析变形造成的力学原因以及可能造成的 工程危害。 在原采空情况的模拟基础上， 施加外部荷载研究采空区的地表变形和模型内部 节点的位移分步情况， 找出相关的规律进行进一步分析。 对采空区新建建筑物的稳定性做 出评价，并且对新建建筑物的设计形式、建造位置以及抗变形措施提出意见。运用工程经 验计算， 通过研究建筑物荷载产生的扰动深度与采空区上覆岩层破坏高度的关系， 来研究 采空区受到新建建筑物荷载后是否会发生“活化” ，造成地表再次沉降变形，进而对地表 上的新建建筑物造成破坏。 经过研究发现，该工程的采空区在新建建筑物的作用下，会发生二次“活化” ，即采 空区稳定后再次变形。但采空区“活化”后产生的变形不会对拟建建筑物产生破坏。由于 建筑物在采空区内建造位置不同， 采空区与建筑物的相互影响也不相同。 通过模拟发现当 建筑物位于采空区中间区域时， 会产生程度较小的均匀沉降， 不会对建筑物使用产生破坏。 当建筑物位于采空区边缘处时， 会有可能造成建筑物产生一定的不均匀沉降。 为了采空区 上方后续建设持续稳定， 所以建议对该工程采空区进行治理。 提出了注浆作为主要处理措 施。 关键词：采空区；数值模拟；活化；不均匀沉降
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Title: The Research of the Building Foundation Stability with Mined-out Region of Coal Mine Jing City ShanXi Province Major: Geotechnical Engineering Author: Dong Liu Supervisor：Prof. Liuming Fan Supervisor：Researcher.Shuanhai XU Signature: Signature: Signature:
工程硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文山西省晋城市山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物荷载对采空区影响的研究学科名学科门指导教申请日山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物荷载对采空区影响的研究刘冬西安理工大学分类号udc密学号1108520779刘冬名称
分类号 UDC 密 级 学 号
山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物荷载对采空区影响的研究 刘 冬 西安理工大学
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西安理工大学工程硕士学位论文
main method of treatment measures.
Key words: Mined-out Region; numerical simulation ; Activation; Uneven settlement
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目录
目录 1. 绪论 ................................................................ 1 1.1 选题的背景及意义 ................................................. 1 1.2 研究现状 ......................................................... 2 1.3 课题的研究目的与内容 ............................................. 4 1.3.1 研究目的 ................................................... 4 1.3.2 研究内容 ................................................... 4 2 采空区变形的一般特征 .................................................. 7 2.1 地下开采引起的岩层移动 ........................................... 7 2.1.1 开采引起的岩层的移动特征 ................................... 7 2.1.2 采空区岩层移动的形式 ....................................... 8 2.1.3 上覆岩层破坏程度的分带 ..................................... 9 2.2 地下开采造成的地表移动 .......................................... 10 2.2.1 采空区地表移动的形式 ...................................... 10 2.2.2 地表盆地的形式 ............................................ 11 3 工程概况 ............................................................. 13 3.1 概述 ............................................................ 13 3.2 工程地质特征 .................................................... 14 3.2.1 地形地貌 .................................................. 14 3.2.2 地层岩性 .................................................. 14 3.2.3 地质构造与地震 ............................................ 15 3.2.4 气象 ...................................................... 15 3.2.5 开采情况 .................................................. 15 4 基于数值模拟的采空区变形研究 ......................................... 17 4.1 非线性有限元计算基本理论与方法 .................................. 17 4.1.1 岩体弹塑性研究 ............................................ 17 4.1.2 塑性状态的加载条件与卸载准则 .............................. 19 4.1.3 非线性有限元的计算方法 .................................... 19 4.2 数值模拟模型的建立 .............................................. 20 4.2.1 数值模拟模型的计算范围 .................................... 20 4.2.2 本构模型的确定及单元类型的选择 ............................ 21 4.2.3 分析计算参数的选取 ........................................ 22 4.2.4 数值模拟模型的建立与有限元划分 ............................ 22 4.3 有限元模型的计算 ................................................ 23 4.3.1 采空区初始地应力场的分析 .................................. 23
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工程硕士学位论文 硕士学位论文
山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物 山西省晋城市 物 荷载对采空区影响的研究
刘 冬
学 科 名 称： 学 科 门 类： 指 导 教 师：
建筑与土木工程 工 科
范留明 教授 徐拴海 研究员
申 请 日 期：
2014 年 2 月
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摘要
论文题目：山西省晋城市某煤矿矿区拟建建筑物荷载对采空区影响的研究 专 作 业：建筑与土木工程 者：刘 冬 教授 研究员 签名： 签名： 签名：
Abstract
With the development of the national economy, the increasing, shortage of land resources. Construction of base area above the huge mined-out region also appeared with the inevitable. Under the action of buildings above stability of mined-out region ,whether it will produce a new deformation, deformation generated and whether the new buildings would produce very realistic destruction was placed in front of people. For the problem on the impact of new buildings on mined-out region has profound practical significance. In this paper, a practical stability of mined-out area at the top of the construction engineering as the background, using the finite element numerical simulation method to establish a numerical model of the mined-out area to study mining engineering features empty areas, the impact of new buildings on the mined-out area, and to determine whether the mined-out area of the building damage. In the process of numerical simulation, according to the actual situation of the project, set up different conditions, the comparison research under various working conditions. Put up mined-out region management Suggestions . Through the study found that under the action of mined-out area in the new building of the project , mined-out region deformation will occur again . The deformation will not be for the proposed building . Due to different buildings built in mined-out area location, mined-out area and the structure of the mutual influence is not the same . Through simulation found that when the building is located in the centre area, produce less uniform settlement, will not damage to buildings using. When the building is located in the mined-out region edge, will likely cause has certain uneven settlement of the building . To subsequent construction steadily above goaf, therefore recommended for mined-out area of the project management .Put up Grouting as the