采动地表土体沉陷对桥梁桩基影响试验研究

因地下煤层开采引发的地表土体沉陷,对其上方公路或铁路桥梁桩基产生严重危害,甚至引发整个桥梁失稳破坏。基于采动引发的地表沉陷规律和地表沉陷预计概率积分法原理,研制了一套模拟地表沉陷土体桩基载荷试验系统。采用该系统对位于地表不同沉陷位置的4根模型桩开展了试验研究;试验实测了桩身轴力、桩侧摩阻力及桩–土相对位移在地表沉陷过程中的变化;试验实测地表沉降量和概率积分法计算值二者吻合较好,证明了该试验系统模拟地表沉陷的可靠性;试验发现4根试验模型桩桩身轴力和桩侧摩阻力的变化均与所在的地表沉陷曲率变化相关,地表沉陷曲率变化越大,则桩身轴力和桩侧摩阻力变化就越大;桩–土相对位移分析表明,地表沉陷曲率越大,则桩–土相对位移越大,且可能产生桩侧负摩阻力,加剧桩体下沉,引发上部桥梁结构产生不均匀沉降,甚至破坏。研究结果对于采动区桥梁桩基的保护与加固具有重要参考价值。     

于广明著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》1993年煤炭工业出版社出版

人们很久以前就认识到了地表沉降是采矿带来的一种灾害问题。为了减少开采损害,全世界很多科学家和采矿工程师把开采沉陷预测和控制视为重要的研究领域。多年来,基于观测到的地表沉陷特征开发了许多种开采沉陷预测方法,包括经验公式、剖面函数法、影响函数法及在简单地质条件下进行相对规则开采的地表沉陷的计算模型。数学模拟和物理模拟为研究不同岩层结构的地层沉陷提供了另一种可能,即可直接模拟和观测地表及岩体内部破坏和移动规律,在这方面,中国学者辽宁工程技术大学于广明博士所著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》一书提供了…     

基于概率积分法的开采沉陷预计分析

首先介绍了概率积分法计算地表移动变形的基本原理,其次运用VB语言编制了计算矩形工作面地表移动变形的预计程序,并结合鲍店泗河堤坝下采煤实例,预计了堤坝沉陷及变形量,并计算了堤坝回填土方量,以期为矿区开采奠定基础.     

井下采矿地表变形分析

为探究井下开采引起地表变形规律,以某矿采用嗣后充填开采为背景,FLAC3D建立矿山仿真模型,模拟开挖过程地表变形动态发展,确定地表变形等值线图。由数值模拟结果可知该矿地表有两个沉陷盆地,北部盆地沉陷最大值75mm,南侧盆地沉陷最大值25mm,以沉降值15mm为移动边界可知地表主要建筑物均位于移动边界之外,开采沉陷对周围企业和居民影响较小。     

煤层开采过程中地表沉陷对钢结构厂房的影响

应用ADINA有限元分析软件模拟了采煤过程中地表沉陷对建筑结构的影响。模拟得出采煤过程中的地表沉陷数据,并将地表沉陷数据作为基础的不均匀沉降值,得出钢结构厂房各节点的水平方向位移值和垂直方向位移值,具体分析了梁柱的受拉和受压状态。这对矿区已有建筑物的保护,以及进行矿区新建建筑物的设计具有指导意义。     

辛置煤矿间歇开采岩移机理及沉陷规律研究

为了研究巨厚黄土层下间歇开采岩移机理及地表沉陷规律,基于辛置煤矿的地质采矿条件,对条带开采煤柱的稳定性进行了理论分析,得到了倾斜煤层煤柱稳定性的判别函数;采用UDEC数值分析方法反演了百亩沟村庄下前期条带开采覆岩及地表沉陷特征,揭示了岩层移动的机理,获取了研究区域主断面的地表沉陷值。隔离煤柱回收后,依据现场实测数据,分析了间歇开采地表动态和静态地表沉陷特征,求取了地表移动角值参数和概率积分预计参数。研究结果表明,前期条带开采煤柱能够形成稳定的核区,煤柱安全系数为2.34,关键层不破断,地表最大下沉217 mm,最大水平拉伸变形为0.41 mm/m,小于窑洞的Ⅰ级抗拉伸水平变形的临界值。间隔煤柱回采后,地表移动初始期和活跃期偏短累计219 d,最大下沉点下沉量与下沉时间服从负指数函数关系;地表终态最大下沉1 537 mm,水平拉伸变形为3.98 mm/m,地表建(构)筑物所受的采动损坏程度超过了Ⅱ级。间歇开采后地表沉陷下沉系数为0.74,开采影响传播角系数为0.6。     

采动引起的地表变形对框剪结构的影响

利用通用有限元计算软件ANSYS进行分析,采用固定支座模型,人为地给柱脚支座以支座沉陷,以此模拟不均匀沉降.对框剪结构在采动引起的3种不同地表变形作用下进行了计算,得出了结构在不同地表变形作用下,上部结构内力的变化及分布规律.为研究采动影响下地表变形对建筑物的影响提供参考.     

公路下采煤引起的路基变形规律有限元模拟

对魏家地煤矿109工作面的开采以及103工作面和上部小煤窑煤炭开采的叠加综合作用对唐红公路路基变形的影响进行了有限元分析.分析表明,109工作面引起的开采沉陷对公路安全运营虽有一定影响,但影响不大,可以进行公路和村庄下采煤,109工作面的开采可以保证公路的正常运营及村庄建筑物的安全使用.但是由于其他采空区的叠加作用,为安全起见,建议设置地表变形监测系统,加强监测,分析地表变形规律,应对紧急情况的发生.     

地下开采对地表及铁路桥影响的数值模拟研究

根据某矿区铁路桥沉陷实际情况,运用有限元软件ABAQUS,对不同开采方式引起的地表沉陷和水平移动的变化规律进行数值模拟研究,通过数值模拟和理论研究,分析了地表移动的基本特征和相关特性;同时分析了该铁路桥因地表变形产生的附加内力的变化情况.该研究为采动区的桥梁保护提供了参考依据.     

煤矿开采沉陷对地面建(构)筑物的影响

介绍了煤矿开采沉陷对地面建筑物的影响问题，从采空塌陷的一般规律、地表移动和变形等方面进行了论述，指出了煤矿开采沉陷的防治方法和措施。     

A geometrically and locally adaptive remeshing method for finite difference modeling of mining-induced surface subsidence

Surface subsidence induced by underground mining is a typical serious geohazard.Numerical approaches such as the discrete element method(DEM)and finite difference method(FDM)have been widely used to model and analyze mining-induced surface subsidence.However,the DEM is typically computationally expensive,and is not capable of analyzing large-scale problems,while the mesh distortion may occur in the FDM modeling of largely deformed surface subsidence.To address the above problems,this paper presents a geometrically and locally adaptive remeshing method for the FDM modeling of largely deformed surface subsidence induced by underground mining.The essential ideas behind the proposed method are as follows:(i)Geometrical features of elements(i.e.the mesh quality),rather than the calculation errors,are employed as the indicator for determining whether to conduct the remeshing;and(ii)Distorted meshes with multiple attributes,rather than those with only a single attribute,are locally regenerated.In the proposed method,the distorted meshes are first adaptively determined based on the mesh quality,and then removed from the original mesh model.The tetrahedral mesh in the distorted area is first regenerated,and then the physical field variables of old mesh are transferred to the new mesh.The numerical calculation process recovers when finishing the regeneration and transformation.To verify the effectiveness of the proposed method,the surface deformation of the Yanqianshan iron mine,Liaoning Province,China,is numerically investigated by utilizing the proposed method,and compared with the numerical results of the DEM modeling.Moreover,the proposed method is applied to predicting the surface subsidence in Anjialing No.1 Underground Mine,Shanxi Province,China.     

有限元强度折减法在矿山开采中的应用

利用ANSYS对水平煤层条带开采进行了二维有限元强度折减法数值模拟研究,分析了条带开采中开采宽度对地表的影响,并用安全系数的大小来判断开采后的稳定性,从而为地下工程实践提供依据.     

按不同开采顺序及回采率开采对路基的影响

针对采空区复杂条件,依托实体工程,利用反映实际问题的二维有限元数值分析方法,运用非线性弹塑性有限元技术,分析煤层按不同开采顺序及回采率开采对路基变形破坏的规律,为寻找防治路基出现不连续变形、沉陷,确定合理设计提供技术依据。研究表明:煤层按不同顺序开采对路基的影响是不同的。开采顺序选择不当,则对路基的危害较大;反之,改变各矿层各工作面的先后开采顺序也可以达到协调开采的目的,变形可抵消一部分。随着回采率的增加,路基竖向位移随之递增,且增加速率较快;最大水平变形也随之迅速增长;下沉盆地的范围随着开采宽度的增加而不断扩大。     

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决“三下”压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。     

基于GIS的地下开挖沉陷计算的有限层法及数据场表达

地学数字化与可视化构建的主要平台GIS已在许多岩土工程领域得到应用。地下硐室开挖和矿山采掘引起的地表沉陷是一种较为严重的工程灾害,基于“3S”技术对地表沉陷及其沉陷损害进行实时预测预报和评价,其效果和意义都是显著的。给出了一种用于地下开挖地表沉陷计算和岩土体应力分析的方法即有限层法,给出了该方法的位移模式、应变矩阵、弹性矩阵、单元该刚度矩阵和应力矩阵等,并就该方法与GIS集成中的数据模型和数据组织方法进行了探讨,同时还给出了基于GIS的沉陷损害评价系统的多语言集成模式和数据可视化方法,并通过系统应用的工程实例对该方法的可靠性进行了验证。     

Geomechanics of subsidence above single and multi-seam coal mining

Accurate prediction of surface subsidence due to the extraction of underground coal seams is a significant challenge in geotechnical engineering.This task is further compounded by the growing trend for coal to be extracted from seams either above or below previously extracted coal seams,a practice known as multiseam mining.In order to accurately predict the subsidence above single and multi-seam longwall panels using numerical methods,constitutive laws need to appropriately represent the mechanical behaviour of coal measure strata.The choice of the most appropriate model is not always straightforward.This paper compares predictions of surface subsidence obtained using the finite element method,considering a range of well-known constitutive models.The results show that more sophisticated and numerically taxing constitutive laws do not necessarily lead to more accurate predictions of subsidence when compared to field measurements.The advantages and limitations of using each particular constitutive law are discussed.A comparison of the numerical predictions and field measurements of surface subsidence is also provided.     

顺层岩质斜坡开采沉陷预测模型研究

为有效预测地下采矿诱发山区顺层斜坡的沉陷变形,在分析概率积分法水平地表开采沉陷的基础上,以与岩层、矿体的倾角相同或者相近的顺层岩质坡体为研究对象,建立单元体开采和半无限开采情况下顺层岩质倾斜地表的开采下沉变形预测模型,并给出预测模型的解算过程及步骤。通过2个矿山开采沉陷实例,将预测模型的解算结果分别与现场实测数据、相似模拟试验观测数据进行对比分析,结果表明:预测结果与现场实测下沉量吻合良好,与相似模拟试验观测下沉曲线形状相似,最大下沉量基本一致,符合试验原型的实际情况,预测结果能够反映顺层倾斜地表开采沉陷的情况,预测模型具有较好的适用性。     

岩体应力与渗流的耦合及其工程应用

岩体中应力与渗流的耦合对于工程应用十分重要。应用孔隙弹性力学理论，研究裂隙岩体与多孔介质岩体的应力变化引起的渗透性变化。推导出应力与渗透系数的关系式，得出由于多孔介质含水层疏水及应力变化造成的地表下沉计算公式。基于孔隙弹性理论，开发用于耦合应力与渗流的有限元计算软件。采用有限元方法耦合应力与渗流的关系，模拟不同采宽条件下采煤工作面的采动影响特征，得出工作面围岩渗透性变化、覆岩破坏高度、地表下沉与工作面几何参数的关系，这对于类似条件下的煤矿开采与设计有指导意义。     

超高水开放式充填开采围岩破裂的微地震监测

 超高水材料充填开采对于围岩长期稳定性的控制作用,在国内外均缺少相关的研究。以冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿(简称陶一煤矿)充6工作面为背景,采用微地震和围岩应力动态监测相结合的实时监测方法,综合地表沉陷的测量数据,首次对超高水材料开放式充填大面积开采效果进行研究和评价。根据监测结果,在陶一煤矿充6工作面采高3 m、采深约300 m、工作面斜长120 m的条件下,工作面围岩覆岩破裂最大高度为48 m、支承压力影响范围35～40 m,工作面上方地表最大沉陷量为98 mm。结果表明,超高水材料开放式充填能够有效控制围岩破裂范围,减小采动影响,且在仰斜开采工作面运用效果较好。     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。