采空区大型工业建筑关键理论与应用研究

论文摘要

煤炭是我国主要能源之一,多年的开采在全国各地形成了很多大范围、大规模的采空区。随着国民经济的高速发展,土地资源越来越宝贵,同时由于采矿企业生产转型和可持续发展的要求,许多工业与民用建筑工程、交通运输工程需要建设在新、老采空区内。但是,地表附加荷载导致采空区“活化”或加大、加速变形,从而危害所建工程。目前,国内外还缺少对此方面的系统理论研究和工程实践。因此,开展采空区综合治理和工程应用技术的研究显得尤为重要,具有现实意义。本文系统研究采空区的破坏规律及地表移动特征,对采空区稳定性进行了非线性有限元分析,结合工程实践,形成了在采空区上建设大型工业建筑的综合地基治理技术。在采空区上建设大型水泥工业建筑是一个全新的课题,其难度在于:该项目建(构)筑物荷载大,既有静载又有动载;工程对沉降敏感,不均匀沉降要求≤10mm/60m;地质条件复杂,拟建场地采空区跨越年代久远,顶板覆岩为风化软岩,性状和构造多样;工程选址超出了规范的相关技术规定,没有可以借鉴的经验;在采空区上建设2500吨/日大型水泥工业建筑在国内尚无先例,国外也无相关报道。针对该工程建设场地特点和工程特性,本文进行了以下研究工作: 1.综合运用钻探、物探和现场测试等国内外多项新技术,对采空区赋存条件、覆岩层的工程性质、冒落堆积体空化程度和采空区稳定性进行科学评价;2.优化采空区治理方案,通过试验研究不同地段全充填或半充填注浆并加固,采用一种新型地基计算模型计算后,对地基进行了半充填注浆加固;3.为确保治理效果,本课题进行了注浆试验、成孔钻进与岩芯试验、压水试验、弹性波速检测、结石体单轴抗压强度与弹性模量测试等研究,建议采用压水试验结果评价采空区处理效果的工程检验指标;4.采空区加固采用新型CF粒状混合浆材,对粉煤灰和水泥混合浆液的物理性质和结石体力学特征进行了系统研究,筛选出了适用于采空区的配比。采空区地基经注浆处理后,在工程施工和使用阶段,观测建筑物沉降,分析沉降过程、沉降幅度,掌握沉降规律,为该生产线的安全运行提供科学依据。本研究结合工程实践,解决了采空区探测、稳定性评价、治理及质量监测等关键技术难题,使该工程达到设计要求,满足长期稳定要求并积累了采空区勘察、地基处理等经验,形成了比较完善的理论,对今后采空区的开发和建设具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 采空区概念
• 1.2 采空区类型
• 1.3 采空区概貌
• 1.4 国内外研究现状及进展
• 1.5 本文研究的目的和内容
• 第二章 地表变形移动特征
• 2.1 地下开采引起的岩层移动
• 2.2 地下开采引起的地表移动和破坏
• 2.3 地表变形分类及其表达式
• 2.4 地表移动速度和移动过程持续时间
• 2.5 影响地表变形的因素
• 2.6 地表移动和变形对建筑物的影响
• 第三章 工程结构实例分析
• 3.1 地形地貌
• 3.2 工程实例
• 第四章 采空区稳定性非线性有限元分析
• 4.1 顶板覆岩破坏理论
• 4.2 顶板变形的弹塑性分析
• 4.3 稳定性分析的非线性理论
• 4.4 稳定性分析的非线性有限元方法
• 4.5 覆岩岩体力学模型
• 4.6 稳定性非线性有限元分析
• 第五章 勘察与评价
• 5.1 地表变形调查
• 5.2 采空区钻探
• 5.3 弹性波CT层析成像测试
• 5.4 压水试验
• 5.5 弹性波速测试
• 5.6 采空区评价
• 第六章 地基处理研究
• 6.1 概述
• 6.2 地基处理方案与注浆试验
• 6.3 注浆处理后地基计算模型
• 第七章 地基处理效果监测
• 7.1 概述
• 7.2 沉降观测
• 第八章 地基处理技术研究与经济效益分析
• 8.1 概述
• 8.2 地基处理技术研究
• 8.3 经济效益分析
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢