高等级公路采动变形破坏数值模拟研究*

2016-04-19赵斌臣郭广礼吴承红

工业安全与环保 2016年3期

关键词：采动采空区数值

赵斌臣　郭广礼　吴承红

(1.中国矿业大学环境与测绘学院　江苏徐州 221008；　2.国土环境与灾害监测国家测绘地理

信息局重点实验室　江苏徐州 221008；　3.山东交通学院交通土建工程学院　山东济南 250031)

高等级公路采动变形破坏数值模拟研究*

赵斌臣1,2,3郭广礼1,2吴承红1,2

(1.中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理

信息局重点实验室江苏徐州 221008；3.山东交通学院交通土建工程学院山东济南 250031)

摘要以南屯矿区及其上方的邹济公路为背景，采用FLAC3D软件，对采动影响下的高等级公路破坏机理和破坏过程进行了研究。研究表明：高等级公路采动变形经历先“上凸”后“下凹”过程，且破坏程度随着公路级别的降低而增加。应尽量使公路位于采空区正上方，且延伸方向和工作面推进的方向一致；若公路位于采空区一侧时，路面向采空区一侧整体滑移和倾斜；若公路延伸方向与工作面推进方向垂直，应注意采空区公路两端的上凸变形；应避免公路与采空区斜交。在相同地质采矿条件下，随着深厚比的增加，路面破坏程度减小，且在一定范围内，路面最大下沉值与深厚比存在非线性关系。研究成果为邹济公路下开采方案和公路维修治理提供必要的理论和技术支持。

关键词高等级公路采动区破坏机理数值模拟

Numerical Simulation Study on High-class Highway Failure due to Mining Deformation

ZHAO Binchen1,2,3GUO Guangli1,2WU Chenghong1,2

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMining&TechnologyXuzhou，Jiangsu221008)

AbstractBy using numerical simulation soft FLAC3Dand based on the Nantun mining area and Zouji highway above it, a deep research on failure mechanism and process is conducted, which can theoretical and technical support to the arrangement of mining scheme and the high-class highway maintenance management at the same time. The research shows that under the same geological conditions and infection of mining zone, the highway’s capacity of resistance to deformation is strongest, first-class highway and second-class highway are easily squeezed, while highway is easily impacted by tensile fracture; and it is wise to avoid the oblique crossing of roads and goaf. It is also found that both sides of road are more easily affected by the mining deformation, so we should pay more attention to the protection of both sides of high-class highway; In a certain range, the damage of high-class highway reduces by the increment of the ratio of depth and thickness, and there is a nonlinear relationship between the maximum subsidence value and the ratio of depth and thickness.

Key Wordshigh-class highwaymining zonefailure mechanismnumerical simulation

0引言

我国高等级公路建设里程日益增加，但在采空区高等级公路建设的系统理论研究方面，还未形成完善的理论和实践体系[1]。高等级公路属于延伸性的线性人工构筑物，其采动变形特征类似于铁路。虽然国内外铁路下采煤技术已取得了丰富的经验，但是公路结构和铁路结构存在较大的区别[2]，应谨慎参考铁路下采煤经验。

邹济公路(一级公路)途径南屯矿区的路线长约8.4 km，属于典型的高等级公路下采煤案例。公路下开采难度比铁路下、村庄、建筑物下开采大，特别是高等级公路，车辆运行速度高、密度大、运量大，对开采沉陷损害极为敏感。因此，以南屯煤矿及其上方的邹济公路为背景，采用FLAC3D数值模拟软件，研究高等级公路的采动变形机理及特征，为邹济公路下采煤方案和公路维修治理提供理论和技术支持。

1三维有限差分建模

1.1矿区数值模型

建立矿区FLAC3D数值模型的尺寸为2 000 m×1 000 m×229.92 m，模型划分为12 500个单元，裂缝带岩体的本构模型为应变硬化/软化模型，弯曲带岩体采用摩尔库伦模型[3]。矿区模型的地层结构如表1所示，根据南屯煤矿地质采矿条件以及地表移动变形监测数据，采用均匀设计安排参数反演获得各岩层的物理力学参数。

表1　矿区岩层结构

模拟工作面按时序分6次推进，每次工作面开挖尺寸均为65 m×280 m×5.78 m，开挖结束后，数值模型运行至相对稳定为止才进行下一步的工作面推进。

1.2高等级公路数值模型

高等级公路一般指高速公路、一级公路和二级公路，本文通过改变公路尺寸来模拟不同等级的高等级公路在采动影响下的变形破坏规律。在FLAC3D数值模型中将垫层、基层和面层合并为一层，统称为“路面”。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)、《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)，对各等级高等级公路数值模型的路面和路基尺寸进行设计，横断面尺寸如图1所示。

(a)高速公路　　　　　　　　　　　　　(b)一级公路　　　　　　　　　　　　　(c)二级公路

黏聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泊松比弹性模量/MPa密度/(kg·m-3)路面0.70.3500.2512502054路基0.030.01350.35351900

2采动变形对高等级公路的影响

2.1数值模拟方案

高等级公路破坏变形破坏的原因可归结为结构设计因素和环境因素[6]，采动变形破坏属于环境因素。为了便于研究采动变形对不同等级高等级公路的影响，在数值模型中假定公路位于采空区正上方，延伸方向与工作面推进方向和数值模型x轴平行。模拟工作面时序开采，在路面延伸方向的中心轴线上、x=1 000m处横截面上，按照网格划分的节点设置监测点，提取路面下沉和水平移动变形值。

2.2数值模拟结果及分析

高速公路下沉模拟如图2所示，工作面推进325 m时各等级公路路面的下沉模拟如图3所示。通过数值模拟结果可看出，高等级公路路面的下沉量随着采动程度的增加而逐渐增大；以高速公路为例，下沉曲线偏向采空区后方；高等级公路级别越高，路面下沉越明显，高速公路的下沉量大于一级公路和二级公路。

图2高速公路路面下沉

图3工作面推进325 m时，

各等级公路路面的下沉

二级公路在x=1 000 m处横截面上的下沉如图4所示。通过分析可知，受采动变形影响过程中，路面先“上凸”后“下凹”，且随着采动程度的增加，从该过程的发展速度增快，路面两侧和中心的下沉差值也逐渐增加。

各等级公路在x=1 000 m处横截面上的水平移动如图5所示，路面先沿一侧微小滑移，随着工作面推进，路面两侧向路中心移动，路面开始受到压缩变形，在移动达到一定值后，路面不再出现路面的新的挤压或者轻微挤压。结合路面塑性区的发展过程可知，路面的破坏程度随着公路级别的降低而增加。

图4二级公路x=1 000 m处横截面下沉

图5x=1 000 m处各等级公路横截面水平移动

3采空区空间位置差异对高等级公路的采动影响

3.1数值模拟方案

根据南屯煤矿井上、下对照图可知，邹济公路与9308工作面、9310工作面在东西方向大致成27°和46°锐角夹角。公路与工作面的空间相对位置一般存在夹角且各异，为此以高速公路为例，分别模拟公路位于采空区一侧、公路与采空区斜交、公路与采空区垂直3种典型空间相对位置时，研究工作面开采对高速公路的影响。

3.2数值模拟结果及分析

3.2.1公路位于采空区一侧

在高速公路位于采空区正上方的数值模型基础上，将公路整体沿y轴正方向移动100 m，其余条件不变，模拟公路位于采空区一侧。模拟工作面时序开采，在路面延伸方向的中心轴线上、x=1 000 m处横截面上，按照网格划分的节点设置监测点，提取路面下沉和水平移动变形值。

路面延伸方向的中心轴线上的下沉如图6所示，与图2比较，路面下沉明显减小且沉降过程更加缓和。与位于采空区正上方相比，以工作面推进390 m时路面的水平位移(见图7)为例，公路位于采空区一侧时，路面的水平位移也明显减小。同时提取x=1 000 m处路面横截面中心和两侧的3个观测点的下沉值和水平移动值，发现路面向采空区一侧及采空区后方倾斜，随着工作面的推进，路面整体向采空区一侧滑移，且路面两侧对中心的挤压作用较公路位于采空区正上方时的小。

图6位于采空区一侧时路面下沉

图7工作面推进390 m时路面的水平位移比较

3.2.2公路与采空区斜交

模拟高速公路与工作面推进方向成30°锐角，模拟工作面开采，在路面延伸方向的中心轴线上按照网格划分的节点设置监测点，提取路面下沉和水平移动变形值。路面在延伸方向的中心轴线上的下沉(见图8)，与高速公路位于采空区正上方时路面的下沉过程相比，斜交时路面的最大下沉值有所减小，但二者的下沉过程相似。

根据监测点的观测数据，绘制路面发生水平移动前后对比图(为了增强图形效果，对y方向的水平位移增加了100倍)，路线呈“S”形(见图9)，结合公路的塑性区情况，此时路面的破坏十分复杂，故应尽量避免高等级公路与采空区斜交。

图8与采空区斜交时路面下沉

图9与采空区斜交时公路水平移动

3.2.3公路与采空区垂直

模拟高速公路延伸方向与工作面推进方向垂直，在路面延伸方向的中心轴线上、y=480 m处横截面上按照网格划分的节点设置监测点，提取路面下沉和水平移动变形值。

当公路与采空区垂直时，路面下沉如图10所示，公路的两端发生翘起现象。比较采空区与公路不同的空间位置关系路面最大下沉值，随着公路延伸方向与工作面的推进方向夹角的增大，路面的最大下沉值有所减小。当公路位于采空区正上方时，路面的下沉量最大。

图10与采空区垂直时路面下沉

为了研究公路与采空区垂直时，路面横截面处的采动变形情况，绘制y=480 m处路面横截面下沉和水平移动过程曲线(如图11所示)，公路靠近采空区的一侧首先受到影响，路面整体向采空区方向倾斜，随着工作面继续推进，公路中心和另一侧的采动变形也加剧，最后高速公路的下沉趋于稳定。

(a)y=480 m处路面横截面下沉

(b)y=480 m处路面横截面水平移动

4不同深厚比对高等级公路采动变形的影响

4.1数值模拟方案

煤层的采深和采厚与地表的变形的关系密切，深厚比越小，地表的变形也就越严重，表现得越强烈，可能产生的危害也就越大。一般认为深厚比大于30时，地表移动和变形在空间和时间上都具有明显的联系特征和一定的分布规律[7]。假定采厚、开采方案和各岩层物理力学参数不变，通过改变煤层层位和表土层厚度，分别模拟采深为225.09，246.98，256.83，282.46和302.50 m。各个层面的网格划分不变，将矿区模型划分为12 500个单元。在路面延伸方向的中心轴线上按照网格划分的节点设置监测点，提取路面下沉和水平移动变形值。

4.2试验结果及分析

工作面推进结束后，提取路面的下沉和水平移动变形值，如图12和图13所示是工作面推进390 m后，高速公路路面的下沉和水平移动变形曲线。

图12　不同深厚比下路面的下沉曲线

图13　不同深厚比下路面的水平位移曲线

分析图12和图13可知，当深厚比为40.9和44.9时，路面下沉和水平移动曲线光滑性变差，尤其是深厚比为40.9时，路面出现小阶梯状变形。可见当采厚不变、采深小于一定值时，路面的移动和变形的连续性遭到破坏。同时研究深厚比与路面最大下沉值的关系，如图14所示，可以看出在一定的范围内，随着深厚比的增加，路面的下沉在加剧，路面的最大下沉值和深厚比存在非线性的关系。