地层沉陷非线性原理、监测与控制PDF电子书下载

0　导言 1

第一篇 特征与危害篇 3

第一章　地层沉陷的宏观特征 3

1.1 地下固体矿物开采引起的地层沉陷现象 4

1.1.1　地层内部沉陷 5

1.1.2　地表沉陷 8

1.2　地下油、气开采引起的地层沉陷现象 12

1.3　地下水开采引起的地层沉陷现象 14

1.4　地层沉陷的特征 17

1.4.1　地下固体矿物开采时的地层沉陷特征 18

1.4.2　地下油、气、水开采时的地层沉陷特征 23

2.1 地层沉陷对建筑物的危害 25

第二章 地层沉陷的危害 25

2.2 地层沉陷对水体的危害 27

2.3 地层沉陷对铁路、公路的危害 30

2.4 地层沉陷对井巷的危害 32

2.4.1　井筒破坏的分类 32

2.4.2　竖井偏斜的机理 36

2.4.3　井筒偏斜与破坏的特点 38

2.5　地层沉陷对山体和边坡的危害 40

2.6　地层沉陷诱导矿山动力灾害 41

2.7　浅部废弃巷道塌陷引起的地层沉陷 46

第二篇 机理与规律篇 49

第三章　结构化岩体采动沉陷的初始损伤效应 49

3.1 概述 49

3.2　结构化岩体采动沉陷的初始损伤效应研究方法 52

3.3.1 实验条件 53

3.3　结构化岩体采动沉陷的相似材料模拟 53

3.3.2　实验成果及分析 55

3.4　节理化岩体采动沉陷的统计损伤分析 61

3.4.1 损伤力学的基本概念——损伤变量与有效应力 62

3.4.2　损伤张量及节理岩体损伤张量定义 63

3.4.3　节理岩体采动沉陷实验模型的损伤张量计算及沉陷量值的统计损伤分析 68

3.5　结构化岩体采动沉陷的数学解析法 72

3.5.1 基本概念 72

3.5.1.1 空隙 72

3.5.1.2　空隙扩散 72

3.5.1.3 空源 73

3.5.2　基本定律 73

3.5.2.1 空隙量守恒定律 73

3.5.2.3　空隙扩散偏移定律 74

3.5.2.2　空隙扩散定律 74

3.5.3　空隙扩散微分方程 75

3.5.4　基本理论 75

3.5.5　实际问题应用 75

3.6　结构化岩体采动沉陷的数值模拟 77

3.6.1 基本原理 77

3.6.1.1　有限变形的虚功率方程 77

3.6.1.2　非线性大变形有限元基本方程 78

3.6.1.3　岩石损伤非线性大变形有限元基本方程 83

3.6.2　数值分析实例 84

第四章　采动岩体的裂隙效应及其分形性 87

4.1 采动岩体的裂隙效应 87

4.2　采动岩体裂隙网络的实验模拟 87

4.2.1 不同采宽条件下的采动岩体裂隙网络的物理模拟 88

4.2.2　不同岩性条件下采动岩体裂隙网络比较 90

4.2.3　初始裂隙对采动岩体裂隙网络的影响 92

4.3　采动岩体分形裂隙网络研究 94

4.3.1 采动岩体裂隙网络分形维数计算方法 94

4.3.2　采动岩体裂隙分布分形性检验 95

4.4　采动岩体分形裂隙网络的演化规律 96

4.5　采动岩体分形裂隙网络分形维数的理论价值与工程意义 98

第五章 采动断面活化的分形界面效应 101

5.1 概述 101

5 2　采动断面活化分形界面效应实验模拟 102

5.2.1 实验设计 102

5.2.2　实验结果分析 104

5.2.3　分形断层面对采动沉陷规律的影响 110

5.3　分形断层面采动活化数值模拟 113

5.3.1　数值模拟基本工作 113

5.3.2　模拟结果及分析 115

第六章　采动岩体沉陷的协同原理 120

6.1 概述 120

6.2　采动岩体沉陷孕育和发展过程的耗散结构特征 120

6.3　采动岩体沉陷中的协同现象 121

6.4　协同学应用于矿山开采沉陷的研究路线 122

6.5　采动岩体沉陷的自组织性检验 124

6.6　结构化岩体采动沉陷的协同原理研究 125

6.6.1 开采沉陷序参量和子系统的参量 125

6.6.2　开采沉陷序参量方程的建立 126

6.6.3 系统快变量的绝热近似消去法 127

6.6.4　开采沉陷系统主方程的导出 128

6.6.5　开采沉陷系统主方程的解 129

6.6.6　采动岩体沉陷系统协同特征的讨论 130

7.1　地层沉陷过程中的突变现象 132

第七章　采动岩体沉陷的突变现象与机理 132

7.2　采动覆岩层裂的突变问题 133

7.2.1　纯拉离层形成的突变机理 134

7.2.2　采动覆岩层裂扩展的损伤机理 136

7.2.3　层裂后的顶板弯曲突变失稳准则 137

7.3　高角度节理突变破坏过程 139

7.4　采动断层（节理）活化的突变机理 144

第八章　地表点动态下沉分形增长规律 148

8.1 数据采集 148

8.2　地表点动态下沉的分形特征分析 150

8.2.1 下沉曲线形态特征 150

8.2.2　地表点动态下沉曲线的分形维数 150

8.3　地表点动态下沉曲线的分形插值 152

9.1 模拟研究方法的分类 159

第九章 地层沉陷的模拟与预计 159

第三篇 预计与监测篇 159

9.2　地下固体矿物开采地层沉陷预计 161

9.3　地下液、气开采地层沉陷预计 164

9.3.1 采气地层压缩分析 165

9.3.2　采气地面沉降及变形计算 168

9.4　地层沉陷的数值模拟 169

9.4.1 地层沉陷的有限单元法模拟 170

9.4.2 地层沉陷的离散单元法模拟 171

9.4.3 地层沉陷的有限差分法模拟 176

9.5　地层沉陷的相似材料模拟 178

9.6　地层沉陷的人工神经网络动态预测方法 182

9.6.1 人工神经网络原理 183

9.6.2　神经网络预测巷道围岩移近量 185

9.6.3　用BP网络模型进行岩溶塌陷预测 186

9.6.4　地表沉陷的神经网络预测 190

第十章 地层沉陷的监测 193

10.1 相似材料模型上的观测 193

10.1.1 光学透镜测量位移的基本原理 193

10.1.2 位移测量操作步骤与技术要求 194

10.1.3　光学透镜法应用范围 195

10.2 地层沉陷的实地监测方法 196

10.2.1 地表移动的监测方法 196

10.2.2 地表沉陷遥感观测法 199

10.2.2.1　遥感装置 199

10.2.2.2　地表沉陷观测站 201

10.2.3 三维地表位移监测方法 202

10.2.4　地层内部变形监测 204

10.2.4.1　钻孔伸长仪 205

10.2.4.2　钻孔测斜仪 206

10.2.5　岩层内部三带高度监测方法 208

10.2.5.1 冒落带高度测定 208

10.2.5.2　导水裂缝带高度的观测 209

10.2.6　井筒偏斜的监测方法 210

10.2.6.1　立井罐道测斜仪的理论基础 211

10.2.6.2　立井罐道测斜仪的功能与结构 211

10.2.6.3　测斜传感器设计原理 213

10.2.6.4　计程传感器原理 217

10.2.6.5　控制接收器 218

10.2.6.6 电源 219

10.2.6.7　测斜仪主要技术指标 219

10.2.6.8　测斜仪使用说明 219

10.2.6.9　现场实测成果与分析 220

10.2.6.10　结束语 223

10.3　地层沉陷监测的发展趋势 224

第十一章 地层沉陷过程中的应力观测 225

11.1 新型单向应力、应变匹配系列传感器的研制 226

11.1.1 应力、应变匹配系列传感器的设计及工作原理 226

11.1.1.1　传感器的设计 226

11.1.1.2　传感器的工作原理 226

11.1.2　应力、应变匹配系列传感器的尺寸及制作材料选择 227

11.1.3　应力、应变匹配系列传感器的制作工艺 228

11.1.4　应力、应变匹配系列传感器的标定 230

11.1.5　匹配系列传感器的主要技术指标 230

11.1.6　新型单向应力、应变匹配传感器的测试方法 231

11.1.7 应力、应变匹配系列传感器的使用范围 232

11.2.1 模型基本要素 233

11.2 应力、应变匹配传感器在相似材料模型上的应用 233

11.1.8 与国内外应用的单向压力传感器和位移传感器的比较 233

11.2.2　采区布置及传感器布设 234

11.2.3　模拟实验观测结果及分析 234

11.3 在井筒围岩中的应力、应变观测 234

11.3.1 自然状况 236

11.3.2　井筒附加应力、应变观测时间及观测系统 237

11.3.3 井筒附加应力、应变观测的传感器安设位置 237

11.3.4　井筒附加应力、应变的观测结果及分析 238

11.3.5　井筒及围岩的附加应力、应变计算 240

第四篇 控制与防护 246

第十二章 地层沉陷损害的控制方法 246

12.1 阻隔地表非线性变形向地面建（构）筑物传递技术 246

12.1.1 活动基础的设计 246

12.1.2.1 活动基础的安装 248

12.1.2　活动基础的安装与调试 248

12.1.2.2　活动基础的调试原则 249

12.1.2.3　活动基础的调整方法 249

12.1.3　应用实例 250

12.1.3.1　建筑物概况 250

12.1.3.2　活动基础的设计与安装 252

12.1.3.3　调整效果分析 253

12.2　采动覆岩离层注浆沉陷控制地层沉陷技术 254

12.2.1 离层注浆控制地层沉陷技术 254

12.2.2　实施离层注浆控制地层沉陷技术还应解决的问题 255

12.2.2.1 离层形成的动态力学作用机制 255

12.2.2.2　离层形成和发展的动态过程 257

12.2.2.3　充填浆液体的动力学过程 258

12.2.2.4　注浆岩体的长期稳定问题 259

12.2.3　产生离层的地层结构与开采条件 260

12.2.4　可注浆离层的位置确定 261

12.2.5　高压注浆井设计 262

12.2.6　注浆站及其主要设备 264

12.2.7　充填材料选择 267

12.2.8　注浆工艺与要求 269

12.2.9　注浆减缓地层沉陷机理 270

12.2.10　注浆量计算 270

12.2.11 浆液水灰比与灰浆容量 272

12.2.12　离层空间内粉煤灰的体积计算 272

12.2.13　注浆量与注浆泵压力匹配 273

12.2.14　离层空间粉煤灰存在形态及范围实验模拟 275

12.2.15　覆岩离层注浆技术工程及系统 279

12.2.17　覆岩离层注浆效果评价指标 280

12.2.16　高压注浆应用效果 280

12.3　采动覆岩分形扩容（胶结）控制岩体沉陷技术 281

12.3.1　扩容（胶结）技术 281

12.3.2　应用实例 281

第十三章 地层沉陷损害防护 285

13.1 建筑物破坏的预测与防护 285

13.1.1 建筑物破坏程度预测 285

13.1.2　建筑物保护措施 286

13.1.3　墙壁承重带形基础建筑物加固方法 286

13.1.3.1　设置变形缝 286

13.1.3.2　在檐口及楼板水平处设置圈梁或拉杆 287

13.1.3.4　设置钢筋混凝土锚固板 288

13.1.3.5　设置缓冲沟 288

13.1.3.3　在基础处设置钢筋混凝土圈梁 288

13.1.4　高耸建筑物的维护和加固 289

13.2　管道保护措施 289

13.3　水体破坏的保护 290

13.3.1　保留矿岩柱 290

13.3.2　处理水体补给来源 290

13.3.3　疏降水体 291

13.3.4　分层（阶段）间歇开采 292

13.3.5　充填开采 293

13.3.6　部分开采 294

13.3.7　加强顶板管理 294

13.4　矿井井巷的防护 295

13.5　露天矿边坡的保护 296

13.6　冲击地压的防治 297

参考文献 299