崔希民1,车宇航1,赵玉玲1,2,3,李培现1,白志辉4
2单 位
1. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院；2. 河北工程大学 矿业与测绘工程学院；3. 邯郸市自然资源空间信息重点实验室；4. 冀中能源峰峰矿业集团
3研究背景
地下煤层开采势必引起上覆岩层和地表的移动变形,为认识特定地质采矿条件下地表移动变形规律,最直接、有效的手段是建立地面岩移观测站。通过分析定期观测数据,可以定量确定地表移动变形量的大小、角量参数和预计参数,为后续开采沉陷预计、开采损害评价等提供技术依据和参数。开采引起的地表移动包括垂直下沉和水平移动两个分量,由两点间的下沉差可计算出地表倾斜,由两点间的倾斜差可计算出地表曲率,由两点间的水平移动差可计算出地表变形。
不论是基于观测数据还是预计模型,都可以得到并绘制出下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形5条移动变形曲线或5类移动变形等值线;观测数据分析的目的是为了认识采动地表移动变形规律并确定移动参数与预计参数,而预计的目的是事先预知开采可能产生的地表移动变形、评估采动可能造成的地表损害程度,以便科学、有效地指导地下开采设计与优化,减小开采损害。按照现行规范,只要预计的地表倾斜、曲率和水平变形3个值中的一个指标达到某一限值即可确定该建筑物的损坏等级。如何客观、科学地预计地表移动变形并评价煤矿区地表建筑物采动损坏程度,早已引起研究者和煤炭生产企业的重视。
除了底面积小的高耸建筑物对倾斜变形敏感外,一般建筑物均对水平变形敏感,通常以水平变形为主要指标来界定其损坏等级。我国现行规范对于长度<20m的砖混结构建筑物,其损坏等级划分指标相同,并未考虑建筑物长度影响。实际上,采动建筑物的损坏既与地表不均匀移动变形有关,也受建筑物的结构长度及其抵抗变形能力影响。笔者试图对采动地表移动变形、建筑物损坏特征以及建筑结构与地基相互作用进行分析,进而探讨建筑物结构长度、水平变形与采动损坏等级间的关系。
4摘 要
实测数据分析的目的是认识地表移动规律和确定预计参数,而沉陷预计的目的是评价采动损坏程度。无论实测数据分析还是形变预计,地表倾斜、曲率和水平变形等主要指标都是基于下沉和水平位移2个移动分量;不均匀下沉在引起地表倾斜和曲率变形的同时,也会导致采动建筑物水平变形和破坏。
通过分析起伏地形和不均匀沉陷在实时位形上对地表变形的作用关系,建立了地表水平和起伏条件下采动地表倾斜变形引起的地表水平变形表达式;以采动地表正曲率变形为例,分析确定了建筑结构长度、高度、最大挠度、挠度比与地表曲率的关系,定性给出了建筑结构顶部伸长量、拉伸变形及其影响规律;进一步分析了建筑结构与地基相互作用的反力分布以及拉伸和剪切作用下建筑物损伤破坏特征。
在继承我国现行规范中采动建筑物损坏评价优点的基础上,针对硬性分级存在的不足以及I,IV级损坏再划分的模糊性,借鉴英国沉陷工程师手册中考虑建筑物结构长度影响的思想,建立了综合考虑水平变形、建筑物结构长度和挠度比的采动损坏分等定级指标体系。
实验结果分析表明,同等采动地表变形条件下建筑结构越长其损坏越严重,证明该指标体系的损坏程度评价结果比现行规范中单纯考虑地表变形的方法更科学、客观,同时消除了原来I,IV级损坏再划分的模糊性和不确定性。5部分图片
地表水平时的变形
地表倾斜时的变形分析
不均匀下沉和地形起伏的影响
地表曲率分析
测段过长的影响
曲率引起的建筑物变形
地基反力示意[25]
厚软岩层地基反力分布[25]
地表与结构的变形关系[26]
建筑结构的弯曲破坏与剪切破坏
砖混结构建筑物损坏等级
考虑砖混结构建筑物长度的采动损坏分级[24]
村庄与开采工作面的位置关系及预计的水平变形
损坏等级划分结果对比
作者简介
研究方向
矿山开采沉陷与岩层控制，3S集成与应用
主要成果
致力于矿山开采沉陷预计、煤柱稳定性与采动损害评价研究，建立了基于时间函数的开采沉陷动态过程预计方法、基于Vironoi图和载荷转移距离的煤柱性评价方法，给出了长壁开采地表残余下沉持续时间和年度残余下沉的定量计算方法；针对传统深度学习高光谱图像分类框架中由于样本点切片引发的计算冗余、效率低下问题，提出一种端到端的分类框架和多尺度空-谱特征分类模型，减少了高光谱图像分类所用的时间，有效提高了分类精度和分类效果。
崔希民,车宇航,赵玉玲,等. 采动地表移动变形与建筑物损坏程度评价的再认识[J]. 煤炭学报,2021,46(1):145-153.
CUI Ximin,CHE Yuhang,ZHAO Yuling,et al. Further discussion on mining deformation and building damage classification[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):145-153.
责任编辑：黄小雨编辑整理：郭晓炜审核：常 琛
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