建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析.pdf
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1、第 卷第期煤炭学报 年月 邹友峰,柴华彬建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析煤炭学报,():,():建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析邹友峰,柴华彬(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 )摘要:为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验
2、证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。关键词:建筑荷载;采空区;顶板岩梁;突变理论中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:责任编辑:常琛基金项目:国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目();国家自然基金资助项目();河南省科技厅重点科技攻关资助项目()作者简介:邹友峰(),男,湖北天门人,博士生导师,教授。:,:。通讯作者:柴华彬(),男,河南南阳人,副教授。:,
3、:,(,):,:;煤炭学报 年第 卷我国煤矿塌陷区分布比较 广 泛,统计结 果显示,目前我国每年因采煤造成的地表塌陷约亿,加上过去一些矿区对已有的采煤塌陷地疏于治理,在全国 个省区,因采煤塌陷的面积多达 亿。随着我国工业化、城镇化进程的加快,一些民生工程,如保障性住房的建设(包括廉租房建设、煤矿棚户区改造等)、新农村的建设、基础设施的建设等,需要占用大量的土地。因此,为了保证国家建设的需要,就必须提高现在土地的利用率,同时对塌陷区土地进行科学整治,使其恢复为建设用地。煤矿塌陷区能否作为建设用地,关键取决了建筑地基的稳定性,而建筑地基的稳定性取决于建筑荷载作用下老采空区中顶板结构的稳定性。地下煤
4、层采出后,上覆岩层产生移动、变形和破坏,引起地表的塌陷,经过一定时间后,上覆岩层及地表均处于相对平衡和稳定状态。之后,若在塌陷地上建设楼层较高的民房、厂房或其它的构筑物等,那么,在建(构)筑荷载的作用下,已受采动损伤的岩体结构就会产生失稳,进而引起地基产生较大的移动和变形。在采空区上覆岩层结构稳定性研究中,国内学者利用数值模拟,研究了不同位置建筑载荷下采空区覆岩应力分布和垂直位移的变化规律。推导了建(构)筑物荷载对采动岩体扰动深度的计算公式,结合垮落断裂带高度的计算公式,获得了塌陷区建筑荷载作用下地基失稳、变形的判断标准。然而,这些研究没有考虑采空区上覆岩层的稳定性。实际上,建筑地基和采空区上
5、覆岩层是一个整体系统,当建筑荷载作用于地基表面导致覆岩层内应力增大时,采空区顶板将发生屈服或垮落,都可能导致岩梁缓慢或突变性的失稳。顶板的失稳,会导致上覆岩层再次移动和破坏,进而引起地表或地基产生进一步的沉降和变形。突变是采空区上覆岩层结构失稳的一种主要形式。因此,本文将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为力学结构模型,基于突变理论,建立荷载作用下老采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,通过数学和力学分析,推导出了建筑荷载作用下顶板岩梁结构破坏、失稳的判定准则,以此来指导煤矿区塌陷土地的规划、设计与利用。突变失稳的数学理论突变理论是非线性理论的一个分支,是研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发生不
6、连续变化的数学理论。应用突变理论的关键在于根据所研究问题建立适当的突变模型,的研究表明,在控制变量不大于、状态不大于的情况下最多可有种基本突变模型,其中以尖点突变模型应用最多。尖点突变又称为 点突变,它具有个控制变量和个状态变量。尖点突变模型是比较简单的突变类型,也是种突变模型中最为常用的一种模型。它主要具有多模态、不可达性、突跳性、发散性和滞后性个特点。用尖点突变模型分析采动岩体再次破坏失稳问题采取如下的步骤:()根据采动岩体力学结构特点、受力特征建立相应的力学模型;()求出采动岩体力学系统的总势能,并建立势能函数表达式,再利用 公式展开、变量代换等方法将其化为尖点突变的标准形式,其势函数的
7、标准形式为()()式中,为系统的状态变量;,为控制变量,(,)所在平面为控制平面,(,)构成三维空间。()对势函数()求导,得平衡曲面(图)的方程以及系统的奇点值方程:()()图系统平衡曲面 对式()进一步求导,可得()()将式()和()联立消去,得到系统突变的分叉集方程,即系统稳定性的平衡方程()()如图所示,它在几何上表示系统的奇点集在控制变量,确定的平面上的投影。当控制变量,满足分叉集方程式()时。系统将处于突变前的临界平衡状态,得出系统突变的临界条件(充分条件)。()系统中某些因素发生变化,将导致,的改变,利用平衡曲面(图)对系统的演化途径可作定量分析。第期邹友峰等:建筑荷载作用下采空
8、区顶板岩梁稳定性分析采空区顶板岩梁突变失稳模型 采空区上覆岩梁结构力学模型我国煤矿常用的开采方法是长壁垮落采煤,因此,塌陷区主要是长壁老采空区。根据荷载扰动的临界开采深度和现场经验来看 ,除了其他影响因素外,建筑荷载对塌陷区影响容易发生在浅部开采区域,即开采深度一般小于 。根据现场实测分析和模拟研究,浅部开采工作面顶板会产生周期性破断,破断的岩块相互铰接形成砌体梁结构,如图所示。图顶板岩梁结构 当采动稳定后,这些相互铰接的砌体梁结构会处于平衡状态,在建筑荷载的作用下,顶板岩块铰接结构的平衡状态将被打破,导致采动岩体的力学结构产生失稳,岩体内的空隙、裂隙进一步闭合,从而造成地表再次产生沉降和变形
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