矿区工地进程结构裂缝开裂机理及防治技术研究.doc

中平能化集团科学技术进步奖申报书 （2010年度）一、项目基本情况专业组别成果登记号档案分类项 目 名 称矿区工程结构裂缝开裂机理及防治技术研究主要完成人段敬民 宋永恒 高山林 朱惠伟 朱义铁 夏树威 常辉 张国超 汪源 王占军 吴建基 李锦辉 刘玉桥 王利 主要完成单位中平能化建工集团有限公司土建处河南理工大学主 题 词矿区工程结构；裂缝；机理；防治；任务来源21、省、市科技计划；2、集团公司计划；3、自筹计划名称和编号项目起止时间起始： 年 月完成： 年 月申报单位 联系人姓 名电子邮件邮 编地 址办公电话移动电话注：专业组别、成果登记号、档案分类由集团科技管理部门负责统一填写。二、项目简介立项背景和目的意义：（国内外同类或相关项目研究状况、水平及比较、主要技术经济指标以及存在问题，以及本项目研究目标）地下开采引起矿区地表工程结构产生不均匀变形（水平变形、竖向变形和曲率变形），导致工程结构的倾斜、开裂，特别是工程结构裂缝病害最为普遍和突出，轻则影响美观、强度、耐久性，重则危及生产和人身安全。裂缝是固体材料中的某种不连续现象，结构物的裂缝是一个很普遍的技术问题，工程的破坏与倒塌大多是从裂缝的扩展开始的。如何有效处理矿区结构物裂缝，改善矿区工程结构的性能，明显延长结构的使用年限，增强矿区工程结构抵抗变形的能力，提高结构的耐久性和安全性，具有重要的社会效益和经济效益。本课题在理论研究方面，有裂缝修复方法，也有房屋结构及力学原理。但本项目把自组织理论应用于矿区工程结构的修复及已有工程结构的加固，并对相关问题进行研究，查新表明：“国内未见有相同文献报道”。通过该技术的应用与推广，能有效节约矿区工程的建设费用，避免不必要的拆除重建，增加矿区现有工程的安全性及耐久性。项目研究主要内容：（总体思路、技术方案及创新成果、解决的主要问题，达到的主要技术经济指标）总体思路：为了深入研究矿区工程结构裂缝问题，本课题分四阶段进行。第一阶段主要工作包括文献资料收集，现场情况调查、裂缝图形绘制、裂缝图片收集及相关数据的检测。第二阶段主要工作包括对裂缝问题进行总结、掌握各种裂缝特点及结合矿区特点分析矿区工程结构裂缝原因。第三阶段主要工作为利用有限元软件分析矿区结构裂缝情况。第四阶段主要工作包括总结各种裂缝治理措施、提出矿区结构裂缝的治理措施并提出新建矿区结构在设计及施工中应采取的措施。技术方案：a、结合矿区工程结构自身特点，以平煤集团为依托，总结研究矿区工程结构裂缝的发育特征，并进行监测与评价；b、结合矿区环境特点，研究矿区工程结构裂缝产生的原因；c、研究矿区地表塌陷移动的规律，用有限元模拟工程结构裂缝，分析地表移动产生工程结构裂缝的规律；d、研究引起矿区工程结构开裂的防治措施；e、研究新建矿区工程结构设计及施工应采取的措施。创新成果：将自组织理论、整体加固思想应用于矿区工程的设计及已有房屋的加固。采用房屋结构及力学原理，在分析了由于地下开采引起地表受力变形的基础上，通过对地表房屋变形及受力特点的分析，将自组织理论的理念应用于已有房屋的加固。对新建工程结构，提出“整体加强、协同受力”思想，加强工程结构的整体性、安全性和牢固性；对已有工程结构，一是裂缝的修补及修复，二是对工程结构的有效加固，并提出了“整体加固思想”，还提出了整体加固思想指导下的基于房屋整体的预应力加固技术。通过对这些问题的研究和实践，提高了矿区工程结构的抗变形性能，为矿区相关地表工程结构的设计及已有工程结构的裂缝修复及加固开阔了思路、提供了可供参考的依据，并对今后矿区工程结构的设计及施工提供前期指导与技术支持。解决的主要问题：通过对矿区地表特性的分析，实现对矿区工程结构裂缝开裂机理及防治技术的研究，提出了矿区工程结构裂缝开裂及防治的设计及加固技术，可改善矿区工程结构的性能，明显延长结构的使用年限，增强矿区工程结构抵抗变形的能力，提高了结构的耐久性和安全性。应用范围及经济效益：其研究成果主要应用于矿区工程结构裂缝开裂及防治的设计及加固方面，也应用于建筑工程行业。通过对矿区地表特性的分析，实现对矿区工程结构裂缝开裂机理及防治技术的研究，从而更有效地保护矿区的工程结构，实现矿区的科学发展、和谐发展及可持续发展，建筑物（构筑物）抵抗变形能力更强，所以该课题选题具有现实意义。该课题的经济效益可观，社会效益显著，通过该技术的实施，可以改善矿区工程结构的性能，明显延长结构的使用年限，增强矿区工程结构抵抗变形的能力，提高了结构的耐久性和安全性。解决的关键问题和创新点:（在研究开发、推广及产业化中做出的创造性贡献和解决的关键技术）a、理论应用拓展：将自组织理论、整体加固思想应用于矿区工程的设计及已有房屋的加固。采用房屋结构及力学原理，在分析了由于地下开采引起地表受力变形的基础上，通过对地表房屋变形及受力特点的分析，将自组织理论的理念应用于已有房屋的加固。对新建工程结构，提出“整体加强、协同受力”思想，加强工程结构的整体性、安全性和牢固性；对已有工程结构，一是裂缝的修补及修复，二是对工程结构的有效加固，并提出了“整体加固思想”，还提出了整体加固思想指导下的基于房屋整体的预应力加固技术。b、结合矿区工程结构特点的技术创新：本项目通过对沉陷规律的认识与研究，应用共同作用理论，着重分析了地基-基础-上部结构的相互作用，结合矿区地表工程结构的变形特点及特征，定性或部分定量分析了其对工程结构的影响，从宏观上把握了地表变形对工程结构的影响，用数值方法分析了裂缝的开裂情况。并且由此系统地建立了抗采动的设计理论。该设计理论，明确了采动下基础附加作用力的计算及其与其它作用的组合方法，并给出了设计细节构造措施，使采动区房屋针对采动影响有明确的设计依据及方法。在已有工程结构的裂缝修复方面提出了“先本、后标，标本兼治”理念。在实施方面，先分析工程结构产生裂缝的原因及开裂机理，针对具体情况，有的放矢地展开加固、修复工作；最后对表面的裂缝进行修复（或恢复），使结构从本质上得以加固、加强，从而也美化了工程结构的外表观感。推广应用情况:（注明推广应用范围、效果及经济社会效益）该技术已应用于平煤集团矿区等各种工程结构裂缝的防治及加固，经济效益可观，社会效益显著。通过该技术的应用，改善了矿区工程结构的性能，明显延长了结构的使用年限，增强了矿区工程结构抵抗变形的能力，提高了结构的耐久性和安全性。 （字数控制在3000字左右）三、项目详细科学技术内容（此项为申报书的核心内容，评审的主要依据，应将研究报告浓缩提炼后的所有关键技术内容编入，包括立项背景、项目主要内容、解决关键问题和创新点、经济效益及推广应用情况）立项背景：富煤、少气、贫油这一资源特点，决定了我国能源发展必然以煤为主，长期以来，煤炭在我国的能源消费结构中一直占70%以上。2004年，全国的煤炭产量达到19.5亿吨，居世界第一。在我国，煤炭作为 一种能源矿产，是工农业生产和社会经济发展必不可少的物质基础，是社会财富的重要源泉。近年来，随着经济的发展，能源需求不断升级，煤炭生产任务也不断加大。煤炭对国民经济的发展起着非常重要的作用，保障煤炭安全生产持续进行显得尤为重要。但我国矿区大规模建设始于五、六十年代，经过4050年不同程度的改扩建使用，矿区已有工程结构已开始有不同程度的病害，并逐渐表露出自身的残缺。地下开采引起矿区地表工程结构产生不均匀变形（水平变形、竖向变形和曲率变形），导致工程结构的倾斜、开裂，特别是工程结构裂缝病害最为普遍和突出，轻则影响美观、强度、耐久性，重则危及生产和人身安全。裂缝是固体材料中的某种不连续现象，结构物的裂缝是一个很普遍的技术问题，工程的破坏与倒塌大多是从裂缝的扩展开始的。如何有效处理矿区结构物裂缝，改善矿区工程结构的性能，明显延长结构的使用年限，增强矿区工程结构抵抗变形的能力，提高结构的耐久性和安全性，具有重要的社会效益和经济效益。基于以上情况，中平能化建工集团有限公司土建处联合河南理工大学，以平煤集团为依托，结合矿区建筑结构工程的特点，总结矿区工程结构裂缝的发育特征，研究矿区工程结构裂缝产生的原因、地表移动产生工程结构裂缝的规律、防治矿区工程结构开裂的措施、新建矿区工程结构设计及施工应采取的措施。如何有效处理矿区结构物裂缝，改善矿区工程结构的性能，明显延长结构的使用年限，增强矿区工程结构抵抗变形的能力，提高结构的耐久性和安全性，具有重要的社会效益和经济效益。主要研究内容：a、结合矿区工程结构自身特点，以平煤集团为依托，总结研究矿区工程结构裂缝的发育特征，并进行监测与评价；b、结合矿区环境特点，研究矿区工程结构裂缝产生的原因；c、研究矿区地表塌陷移动的规律，用有限元模拟工程结构裂缝，分析地表移动产生工程结构裂缝的规律；d、研究引起矿区工程结构开裂的防治措施；e、研究新建矿区工程结构设计及施工应采取的措施。研究创新：a、理论应用拓展：将自组织理论、整体加固思想应用于矿区工程的设计及已有房屋的加固。采用房屋结构及力学原理，在分析了由于地下开采引起地表受力变形的基础上，通过对地表房屋变形及受力特点的分析，将自组织理论的理念应用于已有房屋的加固。对新建工程结构，提出“整体加强、协同受力”思想，加强工程结构的整体性、安全性和牢固性；对已有工程结构，一是裂缝的修补及修复，二是对工程结构的有效加固，并提出了“整体加固思想”，还提出了整体加固思想指导下的基于房屋整体的预应力加固技术。b、结合矿区工程结构特点的技术创新：本项目通过对沉陷规律的认识与研究，应用共同作用理论，着重分析了地基-基础-上部结构的相互作用，结合矿区地表工程结构的变形特点及特征，定性或部分定量分析了其对工程结构的影响，从宏观上把握了地表变形对工程结构的影响，用数值方法分析了裂缝的开裂情况。并且由此系统地建立了抗采动的设计理论。该设计理论，明确了采动下基础附加作用力的计算及其与其它作用的组合方法，并给出了设计细节构造措施，使采动区房屋针对采动影响有明确的设计依据及方法。在已有工程结构的裂缝修复方面提出了“先本、后标，标本兼治”理念。在实施方面，先分析工程结构产生裂缝的原因及开裂机理，针对具体情况，有的放矢地展开加固、修复工作；最后对表面的裂缝进行修复（或恢复），使结构从本质上得以加固、加强，从而也美化了工程结构的外表观感。应用与推广：该技术已应用于平煤集团矿区等各种工程结构裂缝的防治及加固，经济效益可观，社会效益显著。通过该技术的应用，改善了矿区工程结构的性能，明显延长了结构的使用年限，增强了矿区工程结构抵抗变形的能力，提高了结构的耐久性和安全性。(纸面不够，可另增页)四、发明点和创新点（发明点应以发明专利证书和查新报告为依据，两者必须同时具备。创新点是指在研究开发、推广及产业化中做出的创造性贡献和解决的关键技术。各条要相互独立，文字简练，并按重要程度排序）（1）本项目通过对沉陷规律的认识与研究，应用共同作用理论，着重分析了地基-基础- 上部结构的相互作用，结合矿区地表工程结构的变形特点及特征，定性或部分定量分析了其对工程结构的影响，从宏观上把握了地表变形对工程结构的影响，用数值方法分析了裂缝的开裂情况。并且由此系统地建立了抗采动的设计理论。该设计理论，明确了采动下基础附加作用力的计算及其与其它作用的组合方法，并给出了设计细节构造措施，使采动区房屋针对采动影响有明确的设计依据及方法。（2）在已有工程结构的裂缝修复方面提出了“先本、后标，标本兼治”理念。在实施方面，先分析工程结构产生裂缝的原因及开裂机理，针对具体情况，有的放矢地展开加固、修复工作；最后对表面的裂缝进行修复（或恢复），使结构从本质上得以加固、加强，从而也美化了工程结构的外表观感。（3）针对结构牢固性思想，结合工程实际，提出“整体加固”思想，探索在“整体加固”思想指导下基于房屋整体效应的预应力加固技术的新思路，并进行基本问题的有限元数值分析和工程应用。 五、申请、获得专利情况表国 别申 请 号专 利 号项 目 名 称六、保密要点（在项目详细科学技术内容中阐述过的、需要保密的技术内容）七、经济效益情况表经济效益 单位：万元(人民币) 项目总投资额栏目年份新增利润新增税收创收外汇(美元)节支总额累 计各栏目的计算依据：应用单位总会计师（签 字）：应用单位财务部门（盖 章）： 年 月 日八、社会效益情况表(成果在推动公司与行业科学技术进步、安全生产等方面所起的作用)九、申报单位意见表申年 月 日申报单位意见（注明申报等级） 矿（处）长签字：申报单位（盖章）：年 月 日 十、主要完成人员情况汇总表序号姓名性别年龄文化程度职务职称工作单位对本项成果做出的主要贡献内容1段敬民男44博士教授河南理工大学课题组长，负责制定研究方案和思路，并主持和组织本课题的具体实施。2345夏树威男31硕士无河南省建筑科学研究院有限公司数值分析及数值模拟项目负责人（签字） 年 月 日十一、主要完成人员情况表 第5完成人姓 名夏树威性 别男民族汉工作单位河南省建筑科学研究院有限公司办公电务、职称工程师参加本项目的起止时间自 2008年3月 至2009