煤礦巷道與采空區(qū)巖體結構地震動力災變及地面建筑抗震性能劣化研究.pdf

1、中國礦區(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、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的迅猛發(fā)展，越來越多的建筑物、橋梁、輸電塔以及隧道等各類基礎設施不可避免的要建在煤礦采空區(qū)場地上，但是煤礦采空區(qū)場地的穩(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)巖層的移動變形導致地表塌陷以及地面建筑損傷倒塌現(xiàn)象異常嚴峻.煤層開采過程中不可避免的要面臨各種擾動荷載的動力破壞效應，但礦山建設設計中較少考慮

2、地震等各種動力災害對礦區(qū)地下工程結構的影響及破壞.中國有80％以上的礦區(qū)處于在強地震區(qū)，但卻沒有專門細致化的礦山地下結構抗震計算方法及抗震設計規(guī)范標準，地震作用下煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性、煤礦巷道結構與周圍介質(zhì)、采空區(qū)與地面建筑動力響應的相互影響問題是研究煤礦采空區(qū)的地震安全不可回避的重要問題。
　　本文基于彈塑性力學、結構動力學、地震工程學及礦山開采沉陷學，采用現(xiàn)場調(diào)研、試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬相結合的方法，圍繞煤礦采空區(qū)及地下結

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

4、力保護巷道結構的作用。
　　(2)建立了煤柱的地震動力響應模型，重點探討了地震作用下煤礦采空區(qū)煤柱內(nèi)力響應、應力場演化規(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、傷對其失穩(wěn)破壞的模式有較大影響與區(qū)別，對于煤礦巷道結構的頂板、幫部屬于高應力集中易損傷破壞位置，需要予以重視采取合理的防護措施。
　　(3)研究了煤礦巷道同一截面不同區(qū)位（頂板、底板、幫部）地震動力響應的差異，探討了不同截面形狀的煤礦地下巷道結構的地震動力破壞特征及影響因素，得到了煤礦巷道地震動力響應特征及破壞模式:淺埋煤礦巷道的抗震性能相對較差，但深埋煤礦巷道的抗震性能受地應力的影響較大，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;低頻率的地震動對巷道圍巖結構體系的影響較大，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上呈現(xiàn)出“先增加后減小最終平緩變化”的變化趨勢;地震波在地表的放大效應加劇了近地表淺埋煤礦巷道的動力響應;煤礦巷道的埋置深度較深時，圍巖介質(zhì)具有較強的約束作用，可以降低煤礦巷道結構的地震動力響應。
　　(4)探討了巖體損傷后考慮強度降低剛度劣化的損傷區(qū)域應力場分布，對比分析了損傷

7、效應對煤礦地下巷道結構的地震動力災變的影響，研究表明地震波的沖擊作用在引起煤（巖）層發(fā)生振動的同時又增加了巷道圍巖的附加荷載，嚴重降低了巷道圍巖的承載能力;地震作用下煤礦巷道結構的頂側部和幫部是高應力集中區(qū)域，考慮強度降低剛度劣化的損傷效應的煤礦巷道圍巖結構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形式與地震波的基本振動形式接近，圍巖介質(zhì)的主要作用是傳播效應、能量吸收與遷移效應;

8、考慮損傷效應的煤礦巷道結構同一截面不同部位的加速度、峰值位移和內(nèi)力響應有所降低，考慮損傷效應的煤礦巷道圍巖介質(zhì)的“減震層”效應可以減緩和協(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.地震橫波對煤礦巷道結構的動力破壞主要體現(xiàn)在水平剪切作用，縱波對煤礦巷道結構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構的荷載;總結了考慮圍巖損傷效應的煤礦采動裂隙圍巖介質(zhì)的卸壓—耗能—減震特性控制煤礦采動損傷巖

9、層地震動力響應的原理。
　　(5)探討了地震波作用于巖體時應力波性質(zhì)的改變;重點分析了地震波在考慮充填效應的煤礦采空區(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)的地震動力穩(wěn)定性的條件，研究發(fā)現(xiàn):地震波對巖體（煤柱）的動力破壞效應主要體現(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)在采用充填材料進行充填后，充填巖體的強度需要滿足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力響應，但強震作用下煤礦采空區(qū)則成為加劇地表大面積坍塌動力失穩(wěn)的隱患;地震發(fā)生后煤礦采空區(qū)地表的地震動力響應相對較小，充填后煤礦采空區(qū)充填材料及移動破斷的巖層的強度降低、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害能量;地震作用下煤礦采空區(qū)群場地的危險性要高于單一煤礦采空區(qū)的場地。地震作用下煤礦采空區(qū)加速響應的振動形式與原激勵震源相近，但存在著在時間上滯后并有所延長;在此基礎上提出了“煤矸石充填

11、+裂隙巖體復合減隔震層”保證煤礦采空區(qū)地震動力穩(wěn)定性及地面建筑抗震安全的理念。
　　(6)礦區(qū)復雜多變的災害演化系統(tǒng)是涉及到固體、液體、氣體等多相耦合的致災系統(tǒng)，礦區(qū)復雜環(huán)境下建筑物抗震性能劣化主要受環(huán)境與荷載、材料、構件與結構四方面的因素影響:惡劣自然環(huán)境與復雜力學環(huán)境的耦合效應是礦區(qū)建筑抗震性能劣化的驅(qū)動力，材料的破壞是礦區(qū)建筑物抗震性能劣化的根本原因，構件的破壞是礦區(qū)建筑物抗震性能劣化的宏觀表現(xiàn)，結構性能的劣化是建筑物抗震性

12、能劣化的直接原因。對于多煤層重復開采影響下的建筑物的損傷破壞，煤礦重復采動是產(chǎn)生高強度采動災害應力的起因。
　　(7)探討了煤礦采動損傷建筑的地震災變演化機制，指出了地震作用下煤礦采動損傷建筑抗震性能劣化致災的過程，分析了煤礦采動損害與地震動力破壞這兩種災害荷載對建筑物的成災機理，研究發(fā)現(xiàn)地下煤炭開采改變了煤礦采空區(qū)的地震波動場，煤礦采動損害對建筑物的損傷主要集中于下部樓層，地震作用下煤礦采動損傷建筑物的結構薄弱層可能會形成塑性鉸