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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