底板变形破坏规律的数值模拟研究_王连国

收稿日期:2004-04-10

基金项目:国家自然科学资助项目(50274048)

作者简介:王连国(1964—

),博士后,教授,从事教学与科研工作。文章编号:1003-5923(2004)04-0035-03

底板变形破坏规律的数值模拟研究

王连国1,毕善军2,宋扬3

(1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.淮北矿业公司祁南矿,安徽淮北234003;3.山东科技大学,山东泰安271019)

摘　要:采用大型有限元数值模拟软件ANSY S ,对由工作面开采引起的底板变形破坏规律进行了数值模拟,对工作面推进方向和倾斜方向的水平应力、垂直应力、剪应力分布以及水平位移和垂直位移变化情况等进行了系统分析,得出了一系列有价值的结论。

关键词:底板;变形破坏;数值模拟中图分类号:T D327.3 文献标识码:A

1　引言

在对工作面开采引起的底板变形破坏规律进行评价时,可从底板岩体变形破坏机理上给出不同角度、不同内容的描述[1-4],这些描述能在一定程度上加深对工作面开采引起的底板变形破坏的认识,但从其效果来看,力学分析上达不到直观明了的目的。为了对工作面开采引起的底板变形破坏规律有更深刻的认识,现对工作面开采引起的底板变形破坏规律,进行了计算机数值模拟,取得了较为清楚的一系列结论。

2　模型建立原则与选取计算软件2.1　数值计算模型建立的原则

计算机模拟的可靠性基于模型建立的合理程度,合理的模型要以一定的原则为基础。作为底板变形破坏问题,受开采扰动的煤层底板的数值模拟模型的建立原则如下:

(1)底板问题符合平面应变问题,故建立平面问题进行模拟;

(2)边界初始条件的模拟尽量符合实际情况;

(3)要考虑开采动压的影响。2.2　数值模拟计算软件的选取

本次数值模拟选用了大型有限元数值模拟软件ANSY S [5-6],ANSY S 的功能非常强大,它融结构、热、流体、电磁、耦合分析于一体,其基本理论基础是变分原理。该软件最大的优点在于其强大的前后处理功能,构建模型、输出数据、绘制图形非常

方便,其具有完善的数据接口,可与其它软件进行

数据转换,且可应用其它编程软件进行二次开发。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。

3　采面推进方向底板变形破坏规律3.1　模型的建立

在工作面中部沿推进方向作一剖面,按平面应变状态建立如图1所示的计算模型,并按矿山压力的分布特征[7],在岩层的顶面进行加载。考虑祁南煤矿的开采技术条件,模拟采面前后各70m ,煤层底板下80m 范围的岩体。模拟采深450m 。底板岩性为粉砂岩,弹性模量E =1.09×104MPa ,波松比μ=0.34,粘聚力C =2.94MPa ,内摩擦角Φ=35°,容重γ=2.5kN/m 3

。

图1　计算模型

3.2　数值模拟结果及分析

通过计算,绘出水平应力、垂直应力、剪应力、水平位移、垂直应力等的等值线图,限于篇幅仅给

出垂直应力、剪应力等值线图,如图2、3所示。3.2.1　水平应力的分布特征

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底板岩层受开采影响后,出现了水平应力升高区和卸压区。煤体下方浅部应力集中,最大水平应力为21MPa ,深部逐渐卸压,最小水平应力为6.49MPa ;采空区下方浅部卸压,甚至出现了2.22MPa 的拉应力,再往深部水平应力又转为压应

力,且其值逐渐增大

。

图2　

垂直应力等值线

图3　剪应力等值线

3.2.2　垂直应力的分布

底板岩层中垂直应力集中区和卸压区基本上与支承压力集中区和卸压区相对应,随着深度的增加,煤体下方岩体的应力集中与采空区的卸压程度降低,煤体下方岩体的垂直应力由30.4MPa 逐步降为15.6MPa ,采空区底板岩体的垂直应力由0.84MPa ,逐渐增为11.9MPa ,垂直应力分布趋向

缓和;煤体下方垂直应力等值线呈斜向煤壁前方的“泡形”,采空区下方底板岩体垂直应力等值线呈斜向煤壁后方的“泡形”。垂直应力高峰从支承压力

高峰位置处沿着与法线呈某一夹角的方向向煤体下方岩体传播;采空区底板岩体中则高度卸压,底板应力集中深度和卸压深度达到80m 左右。3.2.3　剪应力的分布特征

煤层底板岩体因应力集中,处于压缩状态,而采空区下方岩体由于卸压,处于膨胀状态,因此在两者交汇部位(煤壁下方附近)形成一应力值较高的剪应力区,在该区剪应力值为0.75～5.5MPa ,这个剪应力区是底板岩层受破坏最严重部位。当周期来压时,剪应力区的断层构造往往重新活动,从而使不导水的断层变为导水断层。3.2.4　水平位移

底板岩层由于受采面的影响,造成垂直应力的高度集中和卸压,在垂直方向产生压缩和膨胀,岩

层处于微弯曲状态,并伴生出水平方向的压缩和膨胀,底板浅部的水平压缩位移为0.3～7.6mm ,深部的水平膨胀位移为1.5～6.99mm 。3.2.5　垂直位移

如前所述,在煤层开采的过程中,作用于底板岩层的垂直应力会发生变化,就某一时刻,采面推进方向上由煤壁前方至采空区,依次形成支承压力区,卸压区和应力恢复区,与此相对应,底板岩层会形成压缩区,膨胀区和再压缩区,且底板岩体的位移随深度的增加逐渐减小,压缩区位移由浅部的26.4mm 减至深部的3.18mm ,膨胀区的位移由浅部的20mm 减至深部的2.6mm 。

4　采面侧向底板变形破坏规律4.1　模型的建立

沿工作面倾斜方向作一剖面,按平面应变状态

建立计算模型,并按矿山压力的分布特征,在岩层的顶面进行加载。模拟祁南煤矿的条件,面长120m ,倾角9°,煤层底板下方80m 范围的岩体。

采深450m 。底板岩性为细粉砂岩,弹性模量E =1.09×104MPa ,波松比μ=0.34,粘聚力C =2.94MPa ,内摩擦角Φ=35°,容重γ=2.5kN/m 3。4.2　数值模拟结果及分析

通过计算,针对以上计算模型,绘出了侧向底板水平应力、垂直应力图、剪应力图、水平位移、垂直位移等的等值线图,限于篇幅给出垂直应力、剪应力等值线,如图4、5所示

。

图4　

垂直应力等值线

图5　剪应力等值线

4.2.1　侧向水平应力的分布特征

底板岩层受开采影响后,出现了水平应力升高

区和卸压区。煤体下方浅部应力集中,最大水平应力为13.8MPa ,深部逐渐卸压,最小为1.24MPa ;靠近煤壁一侧采空区下方浅部卸压,甚至出现了2.9MPa 的拉应力,再往深部水平应力又转为压应力,

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2004.№4　矿山压力与顶板管理

且其值逐渐增大;工作面中部仍有5.4MPa的水平压应力。

4.2.2　侧向垂直应力的分布

随着深度的增加,煤体下方岩体的应力集中与采空区的卸压程度降低,采面下侧煤体下方岩体的垂直应力由20.4MPa逐步降为13.5MPa,下侧采空区底板岩体的垂直应力由2.04MPa,逐渐增加为6.64MPa,采面上侧煤体下方岩体的垂直应力由20.4MPa逐步降为6.64MPa,上侧采空区底板岩体的垂直应力由2.04MPa,逐渐增加为6.64 MPa,垂直应力分布趋向缓和;采面上、下两侧煤体下方垂直应力等值线呈斜向煤壁前方的“泡形”,采面上、下两侧采空区下方底板岩体垂直应力等值线呈斜向煤壁后方的“泡形”。采面上、下两侧垂直应力高峰从支承压力高峰位置处沿着与法线呈某一夹角向煤体下方岩体传播,采空区底板岩体中则高度卸压。底板应力集中深度和卸压深度仍达80m 左右。

4.2.3　剪应力的分布特征

煤层底板岩体因应力集中,处于压缩状态,而采空区下方岩体由于卸压,处于膨胀状态,因此在两者交汇部位(煤壁下方附近)形成一应力值较高的剪应力区。在采面下侧煤体下方出现一“泡形”拉剪应力区,其值由4.3MPa逐步降为0.67MPa 同样,在采面上侧煤体下方出现拉剪应力区,其值由1.58MPa逐步降为0.67MPa。工作面上侧采空区煤壁附近出现一“泡形”压剪应力区,其值由2. 97MPa逐步降为1.15MPa,这个剪应力区是底板岩层遭受破坏最为严重的部位,当周期来压时,剪应力区的断层构造往往重新活动,从而使不导水的断层变为导水断层。

4.2.4　水平位移

采面上侧煤体下方岩体呈水平拉伸状态,水平拉伸位移为0.3～4.3mm,采空区底板岩体呈水平压缩状态,位移为1.7～11.7mm;采面下侧煤体下方浅部岩体呈水平压缩状态,水平压缩位移为1.7～5.7mm,深部岩体呈水平拉伸状态,位移为0.3～2.3mm,采空区底板岩体呈水平压缩状态,位移为1.7～7.7mm。

4.2.5　垂直位移

采面上侧煤体下方岩体呈压缩状态,位移为1.9～10.8mm,采空区底板岩体呈膨胀状态,位移为2.5～24mm;工作面下侧煤体下方岩体呈压缩状态,位移为1.9～6.4mm,采空区底板岩体呈膨胀状态,位移为2.5～24mm。5　结论

(1)底板岩层受开采影响后,出现了水平应力升高区和卸压区。采面周围煤体下方浅部应力集中,深部逐渐卸压;采空区下方浅部卸压,并出现拉应力区,再往深部水平应力又转为压应力。

(2)随着深度的增加,采面周围煤体下方岩体的垂直应力集中与采空区的卸压程度降低,煤体下方垂直应力等值线呈斜向煤壁前方的“泡形”,采空区下方底板岩体垂直应力等值线呈斜向煤壁后方的“泡形”。工作面周围垂直应力高峰从支承压力高峰位置处沿着与法线呈某一夹角向煤体下方岩体传播,采空区底板岩体中则高度卸压。底板应力集中深度和卸压深度达80m左右。

(3)在煤体与采空区交汇部位(煤壁下方附近)形成一应力值较高的剪应力区,且在采面倾斜方向下侧煤体下方出现一“泡形”拉剪应力区,上侧采空区煤壁附近出现一“泡形”压剪应力区。剪应力区是底板岩层遭受破坏最为严重的部位,当周期来压时,剪应力区的断层构造往往重新活动,从而使不导水的断层变为导水断层。

(4)在采面推进方向底板浅部产生水平压缩位移,深部产生水平膨胀位移。在采面倾斜方向上侧煤体下方岩体呈水平拉伸状态,采空区底板岩体呈水平压缩状态,采面下侧煤体下方浅部岩体呈水平压缩状态,深部岩体呈水平拉伸状态,采空区底板岩体呈水平压缩状态。

(5)在采面推进方向,底板岩层在垂直方向会形成压缩区、膨胀区和再缩区,且底板岩体的位移随深度增加逐渐减小;在采面倾斜方向,上、下侧煤体下方岩体均呈压缩状态,产生垂直压缩位移,采空区底板岩体呈膨胀状态,产生垂直膨胀位移。参考文献:

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浅述斜坡变形破坏的主要类型及其防治措施

浅述斜坡变形破坏的主要类型及其防治措施斜坡在各种内、外地质营力作用下，不断地改变着坡高和坡角，使坡体内应力分布发生变化。当组成坡体的岩土体强度不能适应此应力分布时，就产生了斜坡的变形破坏作用。尤其是大规模的工程建设．使自然斜坡发生急剧变化。斜坡的稳定程度也变化极大，往往酿成灾害。斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内应力与其强度这一对矛盾的发展演化所决定的。 由于斜坡变形破坏，给人类和工程建设带来的危害在国内外不乏其例。在我国由于特殊的自然地理和地质条件所制约，斜坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重。因此了解斜坡变形破坏产生的原因和主要类型以及其防治措施对于我们土木工程专业的学生显得尤其重要。 1斜坡变形破坏的类型(The type of slope deformation and failure) 斜坡的变形与破坏，可以说是斜坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们是一个累进破坏过程。这个过程对天然斜坡来说时间往往较长，而对人工边坡来说时间则较短暂。 1.1斜坡变形(Slope deformation) 斜坡变形按其机制可分为拉裂、蠕滑和弯折倾倒三种型式。 1.1.1拉裂(Tensile crack)

在斜坡岩土体内拉应力集中部位或张力带内，形成的张裂隙变形型式称拉裂。这种现象在由坚硬岩土体组成的高陡斜坡坡肩部位最常见，它往往与坡面近乎平行（见图一），尤其当岩体中陡倾构造节理较发育时，拉裂将沿之发生、发展。 拉裂的空间分布特点是：上宽下窄，以至尖灭；由坡面向坡里逐渐减少。 拉裂还有因岩体初始应力释放而发生的卸荷回弹所致，这种拉裂通常称为卸荷裂隙。 拉裂的危害性是：岩土体完整性遭到破坏；为风化营力深入到坡体内部以及地表水、雨水下渗提供了通道。它们对斜坡稳定均是不利的。 图一斜坡拉裂示意图 1.1.2蠕滑(Creep slip) 斜坡岩土体沿局部滑移面向临空方向的缓慢剪切变形称蠕滑。蠕滑发生的部位，在均质岩士体中一般受最大剪应力迹线（见图二）控制，而当存在软弱结构面时，往往受缓倾坡外的弱面所控制。当斜坡基座由很厚的软弱岩土体组成时，则坡体可能向临空方向塑流挤出，称之为深层蠕滑。

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浅谈跨采巷道围岩变形破坏与控制 张玉涛 （淮北矿业集团公司临涣煤矿，安徽淮北235136） 摘 要 该文主要介绍了跨采巷道围岩的变形机理及变形特点，并概述了跨采巷道围岩稳定控制的关键。关键词 跨采巷道 围岩变形 控制 中图分类号TD325 文献标识码 A doi ：10．3969/j．issn．1005－2801．2012．06．106 Brief Talk on Deformation And Control Of Surrounding Rocks Of Roadway Affected By Overhead Mining Zhang Yu －tao （Linhuan Coal Mine ，Huaibei Mining Industy Group ，Huaibei 235136，China ） Abstract The paper presented the deformation mechanism and features of surrounding rocks of roadway affected by overhead mining ，and briefly summa-rized the key of control measures of roadway affected by overhead mining． Key words roadway affected by overhead mining deformation of surrounding rocks control *收稿日期：2012－05－08 作者简介：张玉涛（1982－），男，安徽阜阳人，2011年本科毕业于安徽理工大学采矿工程专业，助理工程师，现任淮北矿业集团临涣煤矿综采三区主管技术员。 我国现阶段煤层底板巷道主要采用跨采的方式，跨采形式分为横跨和纵跨两种方式，跨采巷道受采动影响的程度主要取决于巷道位置、围岩性质及巷顶与煤层底板的垂直间距。在开采过程中，只有了解跨采巷道的变形破坏机理，合理布置巷道，因地制宜的采取有效的加固维护措施，才能够减少巷道变形量，满足矿井通风、运输和行人的要求。1跨采巷道变形破坏机理1．1 底板垂直应力传递规律 在工作面的推进过程中，随着上覆岩层自上而下的冒落、破断与沉降，工作面前方煤壁会形成超前支承压力，在采空区则会出现应力降低现象即卸压，在底板岩层中，也会相应的出现垂直应力的集中区和卸压区，它与支承应力的分布大体是相一致的。 煤壁下方应力集中等值线呈现出斜向煤壁前方的泡形传递状态，采空区下方则是斜向煤壁后方的泡形。当巷道位于采空区下方时，巷道处于卸压状态，主要受水平应力作用；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道位于应力集中区，垂直应力占主导地位。随着底板岩层深度的增加，应力集中系数和卸压程度减小，应力分布逐步缓和。1．2 跨采巷道变形破坏机理 在工作面的跨采过程中，跨采巷道的围岩应力平 衡状态被扰动，进而在跨采巷道某些部位产生了新的应力集中，底板巷道围岩处于二向围压状态，本身经受不住大的变形能量，因此，跨采巷道周边围岩的应力状态将再次调整，塑性区的范围进一步扩大，并产生更大的压力和流动，最终导致跨采巷道围岩的最外层破裂区范围不断扩大，产生更大的碎胀变形。 跨采巷道变形失稳主要是由剪胀变形作用导致的，破裂区范围内的围岩自身稳定性差，围岩和支护体系的相互作用决定了跨采巷道能否长期保持稳定以及受跨采影响的程度和范围。2跨采巷道围岩变形特点2．1 跨采方式不同 工作面开采时，横跨巷道存在围岩变形的相对稳定区，与横跨巷道相比，纵跨巷道围岩变形破坏严重，无相对稳定区，巷道的变形主要是顶底板的移近造成的，且变形量呈持续上升趋势。2．2 巷道位置不同 跨采巷道围岩变形与巷道所处位置密切相关。当巷道位于采空区下方时，巷道总体变形量较大，变形特征以两帮内移为主；当跨采巷道位于停采线下方时，巷道煤柱侧帮部及底板变形较大；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道变形强烈，变形特征呈全断面收缩，底鼓严重。随着与工作面垂距的加大，巷道的变形破坏程度减小。3跨采巷道的围岩稳定控制3．1 跨采巷道的位置优化 由于底板应力传播特性以及矿压显现的区域性， 4 7 12012年第6期

某滑坡的变形和破坏机理分析研究

某滑坡的变形和破坏机理分析研究 介绍了某滑坡的特征，分析了滑坡区区域工程地质和水文地质特征，对该滑坡体的变形和破坏机理进行了研究和分析。分析表明：人为活动和地形地貌是滑坡发生变形破坏的主要因素，降雨诱发、岩层产状等因素是造成滑坡发生滑动和进一步破坏的诱发因素。 标签：滑坡变形破坏诱发因素 1概述 塔山滑坡位于广东省开平市长沙区平岗村塔山开元塔底。由于建设工程的需要，在塔山的东南侧进行采石，采用放炮等土石法，致使塔山南侧岩石大量开采形成陡崖，并使周边岩土体产生裂缝，之后由于人为因素和自然因素的影响，塔山南侧裂缝逐渐扩大，至90年代，开始形成滑坡。1999～2001年，在修建塔山公园公路时对山体坡脚进行开挖，在公路北侧形成高约10～17m，坡度约35～45°的高陡边坡，滑坡距公路最近的平岗村居民区约22m，山坡坡脚距公路最近仅2m左右。2004年和2005年雨季，由于连降暴雨，滑坡有活动下滑的趋势，滑坡体前缘公路路面隆起，最高处隆起约40cm，隆起部分面积约有20～30m2，公路北侧排水沟产生变形歪斜，部分已经破坏，水沟上方在雨水后有地下水浸出，形成间歇性下降泉，平岗村内部分房屋墙面产生裂痕，进出塔山公园的公路曾数次被塔山山坡上崩塌的土体破坏。 2滑坡变形形态特征 X 根据实地踏勘，除滑坡体后壁出现较大裂缝外，滑坡周界及滑坡体底部也有约13处裂缝，现将裂缝走向一致的裂缝分为一组，共五组裂缝（表1）。 3滑坡体的工程地质与水文地质特征 塔山滑坡滑坡体主要由第四系坡积土层、风化残积土层、侏罗系中上统百足山群、全风化、强风化、少量中风化基岩组成（见图1）。滑坡体中上部为残积土层，主要由粉土、粉质粘性土组成，呈可塑状或松散状，含较多的碎石和砂、砾石，透水性较好；风化残积土层主要由粉质粘性土，含少量碎石和砂砾石组成，局部夹有全风化、强风化岩，其透水性较差；基岩主要为全风化、强风化泥质粉砂岩，含少量强、中风化岩块，其透水性较好；滑床基本处在中—微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中，岩石呈中厚层状，岩质坚硬，局部裂隙发育，透水性好。 滑坡区地下水主要为第四系冲积土层、残坡积土层中的孔隙水和基岩裂隙水，地下水补给来源主要为大气降水的渗入补给和相邻含水层之间的侧向补给。

金属矿山采空区安全监测方案设计

金属矿山采空区安全监测方案设计中国安全生产科学研究院

目录 1监测方法 (2) 1.1应力监测 (2) 1.2位移监测 (3) 1.2.1井下位移监测： (3) 1.2.2地表位移监测 (4) 1.3声发射监测 (5) 1.4综合监测方法选取 (6) 2传感器 (7) 2.1光纤应力应变传感器 (7) 2.2位移传感器 (7) 2.3声发射传感器 (8) 2.4传感器的选取 (8) 3监测系统结构设计 (10) 3.1光纤光栅监测系统 (10) 3.1.1岩石应力监测 (10) 3.1.2锚杆应力监测 (10) 3.2激光测距监测系统 (11) 3.3声发射监测系统 (11) 3.4系统结构与数据传输 (11) 4成本估算.................................................................... 错误！未定义书签。

1监测方法 一般岩土工程常用的监测方式主要采用：人工查看、多点位移计、断面收敛测量、水准测量、压力计、声发射、微地震等多种监测检测技术。如何有效、动态、综合、准确地监测采空冲击性灾害的发生、发展情况，建立全光纤、多参数、大范围、高集成性的灾害监测系统，仍有待本项目的进一步研究。 1.1 应力监测 应力监测是在矿山应用较为广泛的一种监测手段，测量结果可以直接与理论分析计算结果相互应证。空区围岩（含矿柱）应力的变化反映了采空区稳定状况，通过围岩应力监测得到应力变化规律，并可以应用模糊聚类分析的方法对监测结果进行聚类分析，从而就可以对各采空区稳定性进行分析比较，最后确定采空区稳定性等级与维护采空区稳定性的关键矿柱。通过对应力的连续监测，绘制应力-时间曲线，可以进一步研究矿压显现规律，判断围岩的稳定性。 在矿山应力监测中，最为传统的监测方法是采用压力盒，目前应用最广泛的是光弹性应力计。光应力计是一个具有双折射特性的带有轴向圆孔的弹性玻璃圆柱体，将它埋设到岩体钻孔内，可视为无限大岩石平板中嵌入一个同心圆环的平面应力问题。应用弹性力学公式及光测弹性力学的应力光学定律，可以导出岩体应力值。对采空区矿压进行监测，需要在接近采空区的周边巷道向采空区方向钻孔，将应力传感器安设在钻孔内，通过铜绞线采集数据后传至地表进行矿压的实时在线分析。 目前，采用扫描式迈克尔逊白光干涉仪对应力场引起的高双折射保偏光纤（PMF）内部的分布式偏振模式耦合理论（天津大学光电学院），由偏振模耦合的强度计算应力的大小，通过由双折射引起的2个正交的偏振模的光程差可以计算应力的位置，可实现1km的测量范围，对应力作用点的空间位置定位，测试精度可达到mm量级，对偏振模耦合强度测试可达到-80dB的灵敏度，实现矿山采空区岩层的大范围监测和应力的定位，是应力监测研究的重点方向。

斜坡变形破坏的防治措施

斜坡变形破坏的防治措施 由于斜坡变形破坏，给人类和工程建设带来的危害在国内外不乏其例。在我国由于特殊的自然地理和地质条件所制约，斜坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重。因此，必须对斜坡的变形破坏采取防治措施。具体措施可归纳为以下几个方面。1降低下滑力，提高斜坡抗滑能力；2消除、削弱或改变使斜坡稳定性降低的各种因素；3防御和绕避措施。以下将重点介绍降低下滑力，提高斜坡抗滑能力，包括刷方减载和抗滑工程。 1刷方减载 降低下滑力主要通过刷方减载，在刷方时必须正确设计刷方断面遵循“砍头压脚”的原则（如图1）。特别注意不要在滑移—弯曲变形体隆起部位刷方，否则可能加速深部变形的发展。 图1 边坡“砍头压脚” 2抗滑工程 抗滑工程是提高斜坡抗滑力最常用措施，主要有挡墙、抗滑桩、锚杆（索）和支撑工程。 2.1挡墙

挡墙也称挡土墙，是防治滑坡常用的有效措施之一，并与排水等措施联合使用（如图2）。它借助于自身的重力以支挡滑体的下滑力。挡墙是目前整治中小斜坡滑动应用最广泛的措施之一。根据斜坡滑动性质、类型和挡墙的受力特点、材料和结构的不同，挡墙可分为重力式抗滑挡墙、锚杆式抗滑挡墙、加筋土抗滑挡墙、板桩式抗滑挡墙。 图2 挡墙 2.2抗滑桩 抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，适用于浅层和中厚层的滑坡，是一种抗滑处理的主要措施（如图3）。抗滑桩通过桩身将上部承受的坡体推力传递给桩下部的侧向土体或岩体，依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力，从而使边坡保持平衡或稳定的工程结构。抗滑桩按材质分为木桩、钢筋混凝土桩、钢桩；按结构形式分普通桩、单锚点桩(即目前通常称的预应力锚索抗滑桩)；按截面形式分圆形桩、矩形桩等。通常所说的抗滑桩为钢筋混凝土桩，抗滑桩是我国铁路部门20世纪60年代开发、研究的一种抗滑支挡结构。抗滑桩的出现是抗滑结构工程的一大发展，由于抗滑桩有施工量小，施工安全可靠，布置灵活便利，适应性强，可抵抗较大的滑坡推力等优点，很快在滑坡整治工程中得到广泛的应用和发展。

采空区地表沉降影响因素研究

采空区地表沉降影响因素研究 孙 超 1,2 ,薄景山 1,3 ,刘红帅1,齐文浩 1 1.中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080 2.吉林建筑工程学院勘查工程系,长春 130021 3.防灾科技学院地震工程系,河北三河 065201 摘要:采空区地表沉降影响因素众多,以有限元软件A N SYS 为基础,利用数值模拟方法的灵活性,分别对各主要影响因素进行分析。选用适合于岩土类材料的德鲁克-普拉格本构模型,利用A NSY S 特有的/杀死单元0命令模拟矿体被采出,再通过/激活单元0命令模拟采空区被填充。分别研究了开采深度、开采厚度、地形条件、采空区填充等因素对地表沉降的影响。结果表明:随开采深度的增加,地表变形随之降低;随开采厚度的增加,地表变形增长较快;随着地形坡度的变化,采空区地表移动盆地逐渐向地势较低方向移动;矿体开采后及时充填,对控制地表变形效果显著。 关键词:采空区;地表沉降;A NSY S;德鲁克-普拉格模型 中图分类号:P642.2 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2009)03-0498-05 收稿日期:2008-12-17 基金项目:国家自然科学基金项目(50808164) 作者简介:孙超(1978)),男,黑龙江绥阳人,博士研究生,讲师,主要从事地下结构、岩土工程抗震方面研究,E -mail: sunchaobox @https://www.wendangku.net/doc/4c15067384.html, 。 Study on Influencing Factors of Ground Settlement over Mined -Out Area SUN Chao 1,2,BO Jing -shan 1,3,LIU H ong -shuai 1,Q I Wen -hao 1 1.I nstitu te of E ngineer ing M echanics ,China E arthquake A d ministration,H arbin 150080,China 2.I nv estig ation E ngineer in g Dep artment,J ilin Institute of Ar chite ctu re and Civ il Eng inee ring ,Chang chun 130021,China 3.Ear th quake Engineer ing Dep artment,I nstitute of Disater Pr ev ention Sc ienc e and Te chnology ,Sanhe ,H e bei 065201,China Abstract:There are many factor s to influence on the g round settlement in mined -o ut area.Based o n the finite element software ANSYS,making use o f the flexibility of numerical sim ulation method,the main factor s are analyzed respectively.The Druker -Prag er m odel is chosen,w hich is suitable to simulate the m aterials of rock and soil.-Kill Elem ent .co mmand is used to simulate the situation of ex plo iting,and then the co mmand of -Activ ate Element .in ANSYS is used to sim ulate that the mined -out ar ea is filled.T he influence of each factor in the g round settlement o ver m ined -out area is studied r espectively such as depth,thickness of the mined -o ut area,the topog raphic co ndition and the filling of the mined -out area.The r esult show s that the gr ound settlement decreases w ith the increase of the mining depth,the g round settlem ent increases obviously w ith the increase of m ining thickness,the basin m ovement w ill m ove to the low er direction w ith the change of topogr aphty ,and it w ill reduce the gr ound settlement ev idently to fill the mined -o ut ar ea in time after mining. Key words:mined -out area;g round settlement;ANSYS;Dr ucker -Prag er model 第39卷 第3期 2009年5月 吉林大学学报(地球科学版) Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n) Vo l.39 No.3 M a y 2009

金属材料损坏与变形

金属材料与热处理陈健 晶体的缺陷第二章金属材料的性能 ⑴了解金属材料的失效形式， ⑵了解塑性变形的基本原理， ⑶提高对金属材料的性能的认识。 正确理解载荷，内力、应力的含义。 应力的应用意义。 ⑴与变形相关的概念 ⑵金属的变形 讲授、提问引导、图片展示、举例分析、

一，晶体的缺陷： 1点缺陷：间隙原子，空位原子，置代原子，在材料上表现为：使材料强度，硬度和电阻增加。 2线缺陷：刃位错（如图：P-6），在材料上表现为：使得金属材料的塑性变形更加容易。 3面缺陷：有晶界面缺陷和亚晶界面缺陷，表现为金属的塑性变形阻力增大，内部具有更高的强度和硬度。因此晶界越多，金属材料的力学性能越好。 第二章金属材料的性能 导入新课： 我们经常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。大家能否举些身边的例子呢？ ——如：弯曲的自行车辐条，断掉的锯条、滑牙的螺栓等。 机械零件常见的损坏形式有三种： 变形：如铁钉的弯曲。 断裂：如刀具的断崩。 磨损：如螺栓的滑扣。 本次课给大家介绍金属材料损坏的形式、变形概念与本质等等，首先我们来了解一些基本概念。

一、与变形相关的概念 ㈠、载荷 1、概念 金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 2、分类：根据载荷作用性质分，三种： ⑴、静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。 ——如：桌上粉笔盒的受力，用双手拉住一根粉笔两端慢慢施力等。 ⑵、冲击载荷：突然增加的载荷。 ——如：用一只手捏住粉笔的一端，然后用手去弹击粉笔。 ⑶、变交载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 ——如：通过在黑板上绘图分析自行车轮转动时辐条的受力。 根据载荷作用形式分，载荷又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭曲载荷等。 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷 剪切载荷扭曲载荷 ㈡、内力 见车工工艺书 P32， 图2—20

岩体的变形与破坏的本构关系

第三章岩体的变形与破坏 变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。 破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。 1．岩体变形破坏的一般过程和特点 （1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段 ①压密阶段（OA段）： 非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显； 裂隙闭合、充填物压密。 应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。 ②弹性变形阶段（AB段）： 经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质； 应力-应变呈线性关系； 弹性极限B点。 ③稳定破裂发展阶段（BC段）： 超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。 a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展； b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；

④不稳定破裂发展阶段（CD段）： 微破裂发展出现质的变化： a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展； b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。 c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； ※结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）： 破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低， 岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。 （2）岩体破坏的基本形式 ①张性破坏（图示）； ②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③塑性破坏（图示）。 破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征； 二者的相互关系。 ①破坏形式与受力状态的关系： a.与围压σ3有关： 低围压或负围压—拉张破坏（图示）； 中等围压—剪切破坏（图示）； 高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。 的关系： b.与σ 2 σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°； σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°; 4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。 ②破坏形式与岩体结构的关系： 完整块体状—张性破坏； 碎裂结构、碎块结构—塑性破坏； 裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。

采空区探测技术研究现状及发展趋势

采空区探测技术研究现状及发展趋势（薛云峰等） 作者：薛云峰胡伟华鲁辉 ［摘要］本文在研究国内外采空区探测技术的基础上，对采空区探测方法进行了分类，分析了各种方法地球物理场的特点及解决问题的优势和缺陷，提出了根据采空区的特点，建立探测方法的数学物理模型，优化综合探测技术，提高探测结果准确性和可靠性的结论。 ［关键词］采空区地球物理探测发展趋势 1 采空区探测的目的与意义 矿产作为一种重要的资源，其开采形成的采空由于历史的原因，大多未进行有效地治理，而处于废弃状态，有的采空区出现了大面积的地面沉陷，有的采空出现了地面裂隙，有的尚未出现明显的反映，采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。要对采空区治理，对采空区的地理位置、埋深、现状情况进行了解是关键，只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发的地质灾害,建立地质灾害预警系统,探索用综合物探方法探测采空区的分布，为评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前,采空区的探测已经成为一项重要的研究课题,但是仍处于发展阶段。 2 采空区探测方法的研究现状 采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量

采空区塌陷处理措施

深度解析：采空区地面塌陷勘察与设计！ 本文从采空区塌陷勘察、采空区塌陷治理设计两方面展开： 一采空区塌陷勘察 主要依据：高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册； 岩土工程勘察规范； 铁路工程不良地质勘察规程； 一）采空区分类： 1、按采煤方法与顶板管理方法分类： （1）长壁陷落法采空区：由长壁大冒顶采煤法形成的采空区 （2）短壁陷落法采空区：由短壁自由冒顶采煤法形成的采空区（3）巷柱或房柱式采空区：由巷柱或房柱式采煤法形成的采空区 （4）条带法或填充法采空区：由条带或填充采煤法形成的采空区 2、按采煤深厚比可分为以下几类： （1）浅层采煤区：开采深、厚比小于40的采空区； （2）中深层采空区：开采深、厚比大于40，但小于200的采空区； （3）深层采空区：开采深、厚比等于或大于200的采空区。 3、按煤矿采空区形成和停采的时间分类： 可以分为新采空区和老采空区两种。 新采空区是指现采空的采空区，其地表移动、变形尚未发生或正

在发生过程中，或位于正在采煤的采区、采煤工作面近旁的采空区已放顶，地表移动、变形和移动盆地正在发生、发展中。 老采空区是指已停采闭矿的矿区或已停采的采空区，其地表移动、变形和移动盆地等已形成并趋于稳定的采空区。 采空区地面变形灾害包括地面塌陷、地面沉降、地面开裂（地裂缝）等。勘察范围应大于地面变形范围。 (一) 主要任务 查明老采空区上覆岩层的稳定性,预测现采空区和未来采空区的地表移动和变形特征，对工程场地的适宜性进行评价。在此基础上，提出预防、整治的对策和方案。 可行性研究勘察阶段 1、该阶段应以收集资料、工程地质调查、采矿情况调查为主，辅之以大比例尺航卫片解译，必要时可布置少量勘探工作。其工作内

矿区采动诱发地表变形

⑴评估区地表移动变形预测 采用倾斜长壁、走向长壁为主的采煤方法，顶板管理采用全部垮落法，设计工作面长度150—260m ，推井长度1800—2800m ，属充分采动。 国内外采矿经验认为，当煤层采深采厚比小于30时，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。当采深采厚比介于30—100之间，地层中没有较大地质破坏情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的连续性和一定的分布规律，常表现为地表移动盆地。 上组煤层埋深及采深采厚比特征见下表。 表3—4 上组煤采深采厚比特征表 采深采厚比特征表明，当上组煤层联合采出后，将会引起岩层移动并波及到地表，局部地段地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。 为定量评估开采上组煤层后地表变形特征，下面依据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称《规程》）中的经验公式，对煤层开采后地表最大移动、变形和倾斜值进行计算。采用公式如下： 地表移动与变形极值计算： 最大下沉值：Wmax=Mqcos α 最大曲率值：Kmax=±1.52 2 max r W 最大倾斜值：Imax= r W max 最大水平移动值：Umax=b Wmax 最大水平变形值：εmax=±1.52b r W max

式中： q—下沉系数 M—煤层采空区厚度（m） r—主要影响半径，其值为采深与影响角正切值tgβ之比 α—煤层倾角 b—水平移动系数 本矿无实测的地表移动变形基本参数数据，本次评估中煤层厚度、埋深采用《煤矿资源储量核实报告》中的数据，其它参数根据根据覆岩性质及顶板单向抗压强度在《规程》P222附表5-3中选择经验参数。根据《选煤厂改扩建可行性研究报告（修改）》，在方案适用期内，开采北一采区（5#）、北二采区（2#煤）和北三采区（3#+4#）。北一采区综采工作面长度180m、平均采高2.8m，设计工作面年推进度按2800m；北三采区综采工作面长度260m，平均采高4.2m，设计工作面年推进度为1800m；北二采区2#煤综采工作面长度150m，平均采高1.08m，设计工作面年推进度为2200m。 从全矿区煤层分布情况看，2#、3#、5#大部分区域稳定可采，4#煤层全区稳定可采。因2#、3#、4#、5#煤层间距较近（2#、3#煤层间距平均10.34m，3#、4#煤层间距平均6.16m，4#、5#煤层平均间距5.56m），矿区内上组煤采取联合开采方式。本次变形特征值计算将上组煤合并进行。 从煤层底板高线来看，井田为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3～15°，平均7°。 井田上组煤顶板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，单轴抗压强度为10.8－36.2MPa，分别为较稳定和不稳定顶板。 下沉系数取q初=0.80，q复=（1+a）q初=0.96； 水平移动系数取b初=0.26； 移动角取72°； 水平移动系数取b复=b初=0.26 主要影响角正切tgβ=2.77 按上述公式及计算参数，上组煤开采后，不同埋深地表产生的最大变形值列

岩体的变形与破坏

岩体的变形与破坏 1 基本概念及研究意义 变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。 破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。 岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。 一、岩体破坏形式与受力状态的关系 岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。 注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。 破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。 一般认为，1/5~1/4[σ]不可拉断转化为剪切。 1/3~2/3[σ]可由剪切转化为塑性破坏。 有人认为（纳达），可用2σ偏向1σ的程度来划分应力状态类型。 应力状态类型参数 3 13122σσσσσα---= （＝1，即σ2＝σ1； ＝－1，即σ2＝σ3） 二、岩体破坏形式与岩体结构的关系 低围压条件下岩石三 轴试验表明。 坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。 含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。 碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。 碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。 对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。 第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。 三、岩体的强度特征 单轴应力状态时，结构与1σ方向决定了岩体的破坏形式。 复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状态关系很大。 2 岩体在加荷过程中的变形与破坏 2.1 拉断破坏机制与过程 一、拉应力条件下的拉断破坏 当0331≤+σσ时，拉应力对岩石破坏起主导作用。

t S -=][3σ 二、压应力条件下的拉断破坏 压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是?=40~30β地方向上，并逐渐向与 1σ平行地方向扩展。当0 331>+σσ时，破坏准则为： t S 8)/()(31231=+-σσσσ 3σ=0时为单轴压拉断。 2.2 剪切变形破坏机制与过程 一、潜在剪切面剪断机制与过程 A ．滑移段 B ．锁固段 进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。产生一系列破裂。 （1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。 （2）不稳定破裂阶段法向压碎带的形成，削弱锁固段岩石。 （3）潜在剪切面贯通。 剪胀，压碎带剪坏，锁固段变薄弱，最终全面贯通。 剪切破坏过程中岩石销固段被各个击破，所以整个剪切过程中剪切位段具有脉动的特征。 二、单剪应力条件下变形破坏机制与过程 即力偶作用于有一定厚度的剪切带中。 这种应力条件下可出现的两种破坏，张性雁裂和压扭性雁裂。其中张性雁裂对软弱带的强度削弱最大。 三、沿已有结构面剪切机制及过程（略） 2.3 弯曲变表破坏机制与过程 一、弯曲变形的基本形式 按受力条件：横弯、纵弯。 按约束条件：简支梁、外伸梁、悬臂梁。 梁弯曲时，轴受挤压，两翼受剪力作用→板梁滑脱 二、横弯条件下岩体的弯形与破坏 a. 轴部区 若以[] 2)()()(2121213231σσσσσσσ-+-+-=，y σ代表岩石的曲服应力。 极梁弯曲变形分三个阶段。 ①轻微隆起阶段 弯曲初期。梁底中心两侧出现局部塑性破坏，顶部受拉，但尚未破坏。（H/D=1.8%），H 上隆量。 ②强列隆起阶段