趙斌臣　郭廣禮　吳承紅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院　江蘇徐州 221008；　2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理

信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　江蘇徐州 221008；　3.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院　山東濟(jì)南 250031)

?

高等級公路采動變形破壞數(shù)值模擬研究*

趙斌臣1,2,3郭廣禮1,2吳承紅1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院江蘇徐州 221008；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理

信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇徐州 221008；3.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院山東濟(jì)南 250031)

摘要以南屯礦區(qū)及其上方的鄒濟(jì)公路為背景，采用FLAC3D軟件，對采動影響下的高等級公路破壞機(jī)理和破壞過程進(jìn)行了研究。研究表明：高等級公路采動變形經(jīng)歷先“上凸”后“下凹”過程，且破壞程度隨著公路級別的降低而增加。應(yīng)盡量使公路位于采空區(qū)正上方，且延伸方向和工作面推進(jìn)的方向一致；若公路位于采空區(qū)一側(cè)時，路面向采空區(qū)一側(cè)整體滑移和傾斜；若公路延伸方向與工作面推進(jìn)方向垂直，應(yīng)注意采空區(qū)公路兩端的上凸變形；應(yīng)避免公路與采空區(qū)斜交。在相同地質(zhì)采礦條件下，隨著深厚比的增加，路面破壞程度減小，且在一定范圍內(nèi)，路面最大下沉值與深厚比存在非線性關(guān)系。研究成果為鄒濟(jì)公路下開采方案和公路維修治理提供必要的理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞高等級公路采動區(qū)破壞機(jī)理數(shù)值模擬

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

我國高等級公路建設(shè)里程日益增加，但在采空區(qū)高等級公路建設(shè)的系統(tǒng)理論研究方面，還未形成完善的理論和實(shí)踐體系[1]。高等級公路屬于延伸性的線性人工構(gòu)筑物，其采動變形特征類似于鐵路。雖然國內(nèi)外鐵路下采煤技術(shù)已取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是公路結(jié)構(gòu)和鐵路結(jié)構(gòu)存在較大的區(qū)別[2]，應(yīng)謹(jǐn)慎參考鐵路下采煤經(jīng)驗(yàn)。

鄒濟(jì)公路(一級公路)途徑南屯礦區(qū)的路線長約8.4 km，屬于典型的高等級公路下采煤案例。公路下開采難度比鐵路下、村莊、建筑物下開采大，特別是高等級公路，車輛運(yùn)行速度高、密度大、運(yùn)量大，對開采沉陷損害極為敏感。因此，以南屯煤礦及其上方的鄒濟(jì)公路為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究高等級公路的采動變形機(jī)理及特征，為鄒濟(jì)公路下采煤方案和公路維修治理提供理論和技術(shù)支持。

1三維有限差分建模

1.1礦區(qū)數(shù)值模型

建立礦區(qū)FLAC3D數(shù)值模型的尺寸為2 000 m×1 000 m×229.92 m，模型劃分為12 500個單元，裂縫帶巖體的本構(gòu)模型為應(yīng)變硬化/軟化模型，彎曲帶巖體采用摩爾庫倫模型[3]。礦區(qū)模型的地層結(jié)構(gòu)如表1所示，根據(jù)南屯煤礦地質(zhì)采礦條件以及地表移動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用均勻設(shè)計安排參數(shù)反演獲得各巖層的物理力學(xué)參數(shù)。

表1　礦區(qū)巖層結(jié)構(gòu)

模擬工作面按時序分6次推進(jìn)，每次工作面開挖尺寸均為65 m×280 m×5.78 m，開挖結(jié)束后，數(shù)值模型運(yùn)行至相對穩(wěn)定為止才進(jìn)行下一步的工作面推進(jìn)。

1.2高等級公路數(shù)值模型

高等級公路一般指高速公路、一級公路和二級公路，本文通過改變公路尺寸來模擬不同等級的高等級公路在采動影響下的變形破壞規(guī)律。在FLAC3D數(shù)值模型中將墊層、基層和面層合并為一層，統(tǒng)稱為“路面”。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2006)、《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)，對各等級高等級公路數(shù)值模型的路面和路基尺寸進(jìn)行設(shè)計，橫斷面尺寸如圖1所示。

(a)高速公路　　　　　　　　　　　　　(b)一級公路　　　　　　　　　　　　　(c)二級公路

黏聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比彈性模量/MPa密度/(kg·m-3)路面0.70.3500.2512502054路基0.030.01350.35351900

2采動變形對高等級公路的影響

2.1數(shù)值模擬方案

高等級公路破壞變形破壞的原因可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)設(shè)計因素和環(huán)境因素[6]，采動變形破壞屬于環(huán)境因素。為了便于研究采動變形對不同等級高等級公路的影響，在數(shù)值模型中假定公路位于采空區(qū)正上方，延伸方向與工作面推進(jìn)方向和數(shù)值模型x軸平行。模擬工作面時序開采，在路面延伸方向的中心軸線上、x=1 000m處橫截面上，按照網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動變形值。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

高速公路下沉模擬如圖2所示，工作面推進(jìn)325 m時各等級公路路面的下沉模擬如圖3所示。通過數(shù)值模擬結(jié)果可看出，高等級公路路面的下沉量隨著采動程度的增加而逐漸增大；以高速公路為例，下沉曲線偏向采空區(qū)后方；高等級公路級別越高，路面下沉越明顯，高速公路的下沉量大于一級公路和二級公路。

圖2高速公路路面下沉

圖3工作面推進(jìn)325 m時，

各等級公路路面的下沉

二級公路在x=1 000 m處橫截面上的下沉如圖4所示。通過分析可知，受采動變形影響過程中，路面先“上凸”后“下凹”，且隨著采動程度的增加，從該過程的發(fā)展速度增快，路面兩側(cè)和中心的下沉差值也逐漸增加。

各等級公路在x=1 000 m處橫截面上的水平移動如圖5所示，路面先沿一側(cè)微小滑移，隨著工作面推進(jìn)，路面兩側(cè)向路中心移動，路面開始受到壓縮變形，在移動達(dá)到一定值后，路面不再出現(xiàn)路面的新的擠壓或者輕微擠壓。結(jié)合路面塑性區(qū)的發(fā)展過程可知，路面的破壞程度隨著公路級別的降低而增加。

圖4二級公路x=1 000 m處橫截面下沉

圖5x=1 000 m處各等級公路橫截面水平移動

3采空區(qū)空間位置差異對高等級公路的采動影響

3.1數(shù)值模擬方案

根據(jù)南屯煤礦井上、下對照圖可知，鄒濟(jì)公路與9308工作面、9310工作面在東西方向大致成27°和46°銳角夾角。公路與工作面的空間相對位置一般存在夾角且各異，為此以高速公路為例，分別模擬公路位于采空區(qū)一側(cè)、公路與采空區(qū)斜交、公路與采空區(qū)垂直3種典型空間相對位置時，研究工作面開采對高速公路的影響。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1公路位于采空區(qū)一側(cè)

在高速公路位于采空區(qū)正上方的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，將公路整體沿y軸正方向移動100 m，其余條件不變，模擬公路位于采空區(qū)一側(cè)。模擬工作面時序開采，在路面延伸方向的中心軸線上、x=1 000 m處橫截面上，按照網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動變形值。

路面延伸方向的中心軸線上的下沉如圖6所示，與圖2比較，路面下沉明顯減小且沉降過程更加緩和。與位于采空區(qū)正上方相比，以工作面推進(jìn)390 m時路面的水平位移(見圖7)為例，公路位于采空區(qū)一側(cè)時，路面的水平位移也明顯減小。同時提取x=1 000 m處路面橫截面中心和兩側(cè)的3個觀測點(diǎn)的下沉值和水平移動值，發(fā)現(xiàn)路面向采空區(qū)一側(cè)及采空區(qū)后方傾斜，隨著工作面的推進(jìn)，路面整體向采空區(qū)一側(cè)滑移，且路面兩側(cè)對中心的擠壓作用較公路位于采空區(qū)正上方時的小。

圖6位于采空區(qū)一側(cè)時路面下沉

圖7工作面推進(jìn)390 m時路面的水平位移比較

3.2.2公路與采空區(qū)斜交

模擬高速公路與工作面推進(jìn)方向成30°銳角，模擬工作面開采，在路面延伸方向的中心軸線上按照網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動變形值。路面在延伸方向的中心軸線上的下沉(見圖8)，與高速公路位于采空區(qū)正上方時路面的下沉過程相比，斜交時路面的最大下沉值有所減小，但二者的下沉過程相似。

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，繪制路面發(fā)生水平移動前后對比圖(為了增強(qiáng)圖形效果，對y方向的水平位移增加了100倍)，路線呈“S”形(見圖9)，結(jié)合公路的塑性區(qū)情況，此時路面的破壞十分復(fù)雜，故應(yīng)盡量避免高等級公路與采空區(qū)斜交。

圖8與采空區(qū)斜交時路面下沉

圖9與采空區(qū)斜交時公路水平移動

3.2.3公路與采空區(qū)垂直

模擬高速公路延伸方向與工作面推進(jìn)方向垂直，在路面延伸方向的中心軸線上、y=480 m處橫截面上按照網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動變形值。

當(dāng)公路與采空區(qū)垂直時，路面下沉如圖10所示，公路的兩端發(fā)生翹起現(xiàn)象。比較采空區(qū)與公路不同的空間位置關(guān)系路面最大下沉值，隨著公路延伸方向與工作面的推進(jìn)方向夾角的增大，路面的最大下沉值有所減小。當(dāng)公路位于采空區(qū)正上方時，路面的下沉量最大。

圖10與采空區(qū)垂直時路面下沉

為了研究公路與采空區(qū)垂直時，路面橫截面處的采動變形情況，繪制y=480 m處路面橫截面下沉和水平移動過程曲線(如圖11所示)，公路靠近采空區(qū)的一側(cè)首先受到影響，路面整體向采空區(qū)方向傾斜，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，公路中心和另一側(cè)的采動變形也加劇，最后高速公路的下沉趨于穩(wěn)定。

(a)y=480 m處路面橫截面下沉

(b)y=480 m處路面橫截面水平移動

4不同深厚比對高等級公路采動變形的影響

4.1數(shù)值模擬方案

煤層的采深和采厚與地表的變形的關(guān)系密切，深厚比越小，地表的變形也就越嚴(yán)重，表現(xiàn)得越強(qiáng)烈，可能產(chǎn)生的危害也就越大。一般認(rèn)為深厚比大于30時，地表移動和變形在空間和時間上都具有明顯的聯(lián)系特征和一定的分布規(guī)律[7]。假定采厚、開采方案和各巖層物理力學(xué)參數(shù)不變，通過改變煤層層位和表土層厚度，分別模擬采深為225.09，246.98，256.83，282.46和302.50 m。各個層面的網(wǎng)格劃分不變，將礦區(qū)模型劃分為12 500個單元。在路面延伸方向的中心軸線上按照網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動變形值。

4.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

工作面推進(jìn)結(jié)束后，提取路面的下沉和水平移動變形值，如圖12和圖13所示是工作面推進(jìn)390 m后，高速公路路面的下沉和水平移動變形曲線。

圖12　不同深厚比下路面的下沉曲線

圖13　不同深厚比下路面的水平位移曲線

分析圖12和圖13可知，當(dāng)深厚比為40.9和44.9時，路面下沉和水平移動曲線光滑性變差，尤其是深厚比為40.9時，路面出現(xiàn)小階梯狀變形?？梢姰?dāng)采厚不變、采深小于一定值時，路面的移動和變形的連續(xù)性遭到破壞。同時研究深厚比與路面最大下沉值的關(guān)系，如圖14所示，可以看出在一定的范圍內(nèi)，隨著深厚比的增加，路面的下沉在加劇，路面的最大下沉值和深厚比存在非線性的關(guān)系。

圖14　深厚比和最大下沉值關(guān)系

5結(jié)論

(1)在采動變形影響下，高等級公路路面采動變形經(jīng)歷先“上凸”后“下凹”過程，且破壞程度隨著公路級別的降低而增加，高速公路易受延伸方向上的拉伸破壞，一級公路和二級公路易受兩側(cè)的擠壓破壞。

(2)盡量使公路位于采空區(qū)正上方，且延伸方向和工作面推進(jìn)的方向一致；若公路位于采空區(qū)一側(cè)，應(yīng)控制公路向采空區(qū)一側(cè)的整體滑移和傾斜變形；若公路延伸方向與工作面推進(jìn)方向垂直，應(yīng)注意采空區(qū)公路兩端的上凸變形；應(yīng)避免公路與采空區(qū)斜交。

(3)在相同地質(zhì)采礦條件下，隨著深厚比的增加，路面破壞程度減小，且在一定范圍內(nèi)，路面最大下沉值與深厚比存在非線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]童立元,劉松玉.高速公路下伏采空區(qū)危害性評價與處治技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2006:1-5.

[2]童立元.高速公路與下伏采空區(qū)相互作用分析理論與處理技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2005.

[3]孫書偉,林杭,任連偉. FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利出版社,2011.

[4]趙家臻.公路工程常用數(shù)據(jù)速查手冊[M].北京:中國建材出版社,2008.

[5]劉細(xì)軍.瀝青混合料及路面層間抗剪特性研究[D].西安：長安大學(xué),2006:70-71.

[6]張書文.我國高等級公路破壞分析[J].黑龍江交通科技:2010,33(6):2-3.

[7]何國清，楊倫, 凌庚娣,等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991:79-80.

(收稿日期：2015-10-15)

作者簡介趙斌臣，男，1974年生，寧夏靈武人，工程師，碩士研究生，主要從事工程測量教學(xué)與研究。

*基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目(2012BAB13B03)，江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPDSA1102)，2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目(201410290068)。