山区采动地表异常形变识别与损害原因

现有开采损害鉴定的研究成果主要针对平原区域,缺少对高强度开采条件下山区地表建（构）筑物损坏的研究。本文以山西省冶头村建筑的异常损害为例,首先基于短基线集差分干涉测量技术（small baselines subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS-InSAR）,利用20景Sentinel-1A雷达影像,反演了目标区2016-11-14至2017-07-12期间地表形变的空间分布形态和时间演变过程。然后,结合现场调查的房屋损坏特征及地表裂缝数据,从开采沉陷理论和坡体稳定性分析两个角度进行开采损害鉴定的研究工作。研究表明：①SBAS技术能够实现对采动地表异常形变的有效识别和提取,可为异常损害规律研究和原因揭示提供数据支撑;②开采引起边坡稳定性降低,导致坡体蠕变滑移是地表建筑异常损害的原因。相关结论对于沉陷控制理论的发展完善,对开展山区井工开采房屋损害鉴定工作具有借鉴意义。     

陕北侏罗纪煤田采动损害现状及评价方法

为有效地对开采后的矿区进行环境修复和生态重建,针对陕北侏罗纪煤田之神府、榆神、榆横矿区的地质采矿条件、开采沉陷损害和矿区生态环境的现状进行现场调查和分析,总结了陕北侏罗纪煤田采动过程中生态及环境破坏现状。采用分区的评价方法,依据地形、地貌将其分为2个一级区,在此基础上依据地质条件、环境条件进行二级分区;再以煤层赋存条件、开采方法、开采沉陷损害程度及特征等因素进行三级分区。分别给出了各区的范围、损害特征、损害程度,确定了评价陕北侏罗纪煤田开采损害级别与判定条件,为陕北侏罗纪煤田生态重建提供了理论依据。     

逐层回采地表移动规律及建筑物采动损害评价研究

开展地下开采地表移动规律及对建筑物采动损害程度研究,对于地表建筑物的保护具有重要指导作用.以铜坑矿锌多金属矿体的开发利用为工程背景,运用FLAC3D程序构建多层缓倾斜薄矿体的三维数值模型,分析多层矿体逐层回采模式下地表的移动变形规律；并比照国家有关标准规定,评价地表重要建筑物的采动损害.研究表明:铜坑矿锌多金属矿体逐层回采过程地表移动幅度不断增大,但由于矿体埋藏深、厚度小,开采结束后地表最大倾斜变形、曲率变形、水平变形指标量值分别为0.008 2 mm/m、0.001 48 mm/m2、0.017 2 mm/m,均远小于国家有关规定的最大允许变形值,不会对地表建筑物的安全稳定产生显著影响.     

山区采动损害的防护与治理

本文主要研究了山区采动损害的防护与治理。具体来讲,主要从以下几个方面,结合相关的理论研究和实际,对论文的主要中心内容给出了较为全面和系统的研究和论述:1.防止或减小地表沉陷与破坏的措施(留设保护煤柱、充填开采、协调开采、部分开采);2.裂缝对土地的影响分析(细沟侵蚀、沟蚀、重力侵蚀);3.农作物、植被等生态系统的保护与综合治理(充填沉陷裂缝、平整塌陷土地、改善生态环境)。     

国家自然科学基金资助采动损害与控制类项目分析

回顾了国家自然科学基金委员会工程与材料科学部工程科学一处近六年资助采动损害与控制项目的基本情况。基金资助采动损害与控制类项目的主要内容为岩石破坏基本性质研究、采动损害机理研究、采动损害非线性动态力学模型研究、采动损害与控制预测预报研究、采动损害治理与控制基础研究。并介绍了此类项目的主要研究内容。     

砖拱窑洞的采动损害与保护

砖拱窑洞是陕西矿区广大农村的主要住宅形式之一。在澄合矿区有大量砖拱窑洞的村庄压煤,已严重地影响矿区生产的正常进行。试验表明,砖拱窑洞的抗变能力极差,在采动影响下的变形破坏,有其独有的特点。评估了各种试验性的加固措施,在分析砖拱窑洞变形受力的基础上,探讨了砖拱窑洞的采动损害机理;提出了防护砖拱窑洞损害的有效、可行、经济的保护措施。     

构造应力与采动损害关系的数值试验研究

采用岩石破裂与失稳分析系统（RFPA），对不同构造应力条件下煤矿区地表环境损害特征进行数值试验，结果表明：处于伸展构造背景下的煤矿区，煤层覆岩受到拉张构造应力作用，在煤层开采过程中，覆岩运动、变形和对地表地质环境的损害相对比较强烈；而处于挤压构造应力作用下的煤矿区，覆岩运动、变形及其对地表地质环境的损害相对较弱，或表现滞后。     

构造介质对采动损害控制机理的数值试验研究

采用岩石破裂与失稳分析系统（RFPA），对不同构造介质条件下煤矿区的采动损害分别进行数值试验。试验结果表明，在同样强度的开采下，坚硬覆岩具有较强的抗扰动能力，地下开采对地表损害相对较弱；而软弱覆岩抗扰动能力较弱，开采比较容易引起地表损害。结论对于进一步研究煤矿区环境灾害的发生和发展规律及有效地控制煤矿区的环境灾害有一定的理论指导意义。     

考虑附加应力的采动沉陷区建筑物设计

针对地下矿产开采后形成采空区导致覆岩及地表沉陷,对地面建筑物造成不同程度破坏的问题,以一栋四层砖混结构办公楼为模型,从理论上分析该模型在承受地表变形时,墙体和基础所受到的附加应力。以此为基础进行抗变形结构设计,分析Ⅰ~Ⅳ级地表变形对建筑物结构构件设置的影响,给出具体设计的墙壁圈梁配筋。     

考虑附加应力的采动沉陷区建筑物设计

针对地下矿产开采后形成采空区导致覆岩及地表沉陷,对地面建筑物造成不同程度破坏的问题,以一栋四层砖混结构办公楼为模型,从理论上分析该模型在承受地表变形时,墙体和基础所受到的附加应力。以此为基础进行抗变形结构设计,分析Ⅰ~Ⅳ级地表变形对建筑物结构构件设置的影响,给出具体设计的墙壁圈梁配筋。     

顾及地表沉陷的矿区地貌可视化实现方法

在矿区开采沉陷预计结果的可视化过程中,由于矿区原始地貌离散高程数据与开采沉陷预计格网数据这两种空间数据不一致,数据融合很复杂,很难将矿区受开采沉陷影响后的地貌详实的显示出来.为此,基于CASS软件有效地融合了这两种空间数据,并成功的实现了顾及地表沉陷的矿区地貌可视化.该方法形象真实的反映矿区开采地表沉陷后的地貌特征,为分析和评价开采沉陷损害程度以及沉陷区治理提供了依据.     

基于小波分析的结构损伤检测

针对结构损伤检测系统的实时性和复杂性特点,探讨了基于小波分析的结构损伤识别方法。以小波分析方法为基础,对损伤工况下三层框架结构进行加速度响应的数值仿真,结果表明结构不同层的加速度信号对不同位置的损伤有不同的敏感性。应用小波分析法对结构工程损伤进行实时检测,可实现对结构损伤发生时间和位置同时进行定位,实现对结构工程损伤的早期诊断,为结构的维修加固提供可靠的依据。     

结构损伤识别的直接解析法

探讨一种损伤识别的方法——直接解析法.本方法从结构模态有限元算式出发,把频率和振型看作损伤参数的函数,经过泰勒展开获得频率、振型对损伤参数的一阶偏导数,然后构造以损伤参数为未知量的超定线代方程组,求解得到全部损伤参数值.进一步又提出本方法的自迭代修正,大幅度提高了识别精度.本方法可以同时识别出结构损伤的数量、位置和程度,并可识别任意多数量的损伤参数.通过对一个5层框架结构的数值模拟分析,验证了它的可行性.     

结构损伤识别的样条函数方法

结构参数识别方法是目前结构损伤识别领域中最有效的工具之一，在结构参数识别过程中引入样条函数方法，避免了传统有限元方法带来的庞大刚度矩阵的负面影响。从而提高了识别过程的计算稳定性及计算效率。算例表明识别结果能够应用于结构损伤部位及程度的判别。     

基于柔度矩阵法的结构损伤识别

针对工程结构的健康监测, 提出一种基于柔度矩阵法的损伤识别方法, 只需结构的低阶模态参数便可识别结构的损伤位置和程度, 克服了实际应用中高阶模态参数较难获得的缺陷, 并通过一个悬臂结构损伤识别的数值模拟验证了该方法的有效性.     

基于轴向振动的结构损伤识别方法

在理论上推导悬臂梁轴向振动微分方程及其3种支座形式的解析解的基础上,提出了一种基于轴向振动的结构损伤识别方法.该方法以轴向振动的低阶模态振型的二阶导数为损伤指标,无需结构损伤前的完好动力指纹.该指标对结构损伤的位置和程度均很敏感,既能精确定位损伤,又能标定损伤程度,即在损伤位置将发生相反方向的突变,且突变幅度随损伤程度的增大而增大.最后对方钢管构件进行了试验,测试结果证明了该方法的可行性.     

基于模态振型的简支梁损伤识别

相比结构的频率,振型反应的信息更加丰富.振型曲率是对结构损伤十分敏感的一个指标;利用简支梁结构损伤前后的1阶振型曲率差对其进行损伤识别,对损伤位置有较好的识别效果,而利用高阶振型无法进行识别;对于简支梁损伤程度,利用振型曲率差只能进行定性的识别,随着损伤程度的加深,图形突变增大.     

基于遗传算法的二阶段结构损伤探测方法

为了有效地进行工程结构的损伤识别,提出了一种基于遗传算法的二阶段损伤探测方法.首先利用基于频率的多损伤定位准则和基于位移模态的多损伤定位准则分别计算出有关损伤的初步决策,然后利用信息融合技术中的证据理论方法,将两者的初步决策进行融合,从而获得较为精确的损伤位置估计,最后在已识别出的可能损伤单元的基础上,利用改进的遗传算法进行更精确的损伤位置和程度估计.数值仿真结果表明,采用证据理论进行融合可以获得较为精确的损伤位置估计,比单纯的多损伤定位准则识别效果更好,而采用改进的遗传算法则可以更为精确地判定损伤的程度,优于简单的遗传算法.     

结构损伤识别的柔度差值曲率法

简支梁与悬臂梁的多个算例表明：结构损伤识别的柔度差值曲率法仅需低阶的模态参数即可获得很好的损伤识别精度,对于轻微损伤与多处同时损伤的识别也是灵敏可靠的.     

基于时间序列模型的结构损伤识别方法

针对现有结构损伤识别方法中因模型参数物理意义不明确而导致的损伤信息遗漏等问题,提出一种基于时间序列模型的损伤识别方法.首先,推导了具有外部输入的自回归模型(ARX)的一般表达式,并通过联立多自由度体系运动方程建立了考虑结构动力特性的ARX模型.随后,运用该模型预测得到未损伤情况下的节点加速度时程序列,根据其与实测数据的差异程度构造表征结构损伤的参数,即损伤因子.最后,根据损伤因子数值大小与分布情况评估结构损伤状态.数值算例结果表明,该方法在较少的测量数据样本下,能够较好地识别单位置与多位置损伤,并可较为准确地判断损伤程度,同时识别结果受激振位置与测量噪声的影响较小.