王 萌，高 遠(yuǎn)，范咪娜

（1.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 膠州 266300）

隨著世界能源對(duì)煤炭需求的增長(zhǎng)以及國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穿過(guò)礦區(qū)工作面已不可避免[1-4]。然而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（本文特指公路）與采礦工作面推進(jìn)一般不會(huì)是同步進(jìn)行，若先進(jìn)行工作面開(kāi)采，則公路建設(shè)需要對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生地表下沉的土地進(jìn)行修復(fù)；若工作面滯后于公路建設(shè)，則后期需對(duì)公路建設(shè)進(jìn)行墊高或是增加抗變形處理。然而不論上述何種方式，均需評(píng)定煤礦工作面開(kāi)采對(duì)公路的移動(dòng)變形影響[5]。由于煤礦開(kāi)采對(duì)工作面要求的特殊性，除非重大建（構(gòu)）筑物或不允許變形的設(shè)施，否則工作面開(kāi)采帶來(lái)的地表沉陷現(xiàn)象后期可以通過(guò)修護(hù)和賠償?shù)姆绞綄?duì)受損建（構(gòu)）筑物進(jìn)行補(bǔ)貼，因此當(dāng)二者發(fā)生沖突時(shí)，只能由企業(yè)協(xié)調(diào)政府，妥善處理后續(xù)工作。然而，公路作為線性構(gòu)筑物的代表，公路設(shè)計(jì)時(shí)并不正好通過(guò)工作面正上方，因此在研究工作面開(kāi)采對(duì)公路變形影響機(jī)理時(shí)不得不考慮工作面與公路呈一定角度時(shí)的地表移動(dòng)變形規(guī)律。本文采用數(shù)值模擬的手段，研究了工作面布置于公路在不同方向下的移動(dòng)變形規(guī)律，其下沉數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)公路后期修護(hù)，具有一定的工程實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

考慮到在實(shí)際工程中，線性構(gòu)筑物不會(huì)與工作面直接平行或垂直，往往具有一定的夾角，因此為了研究不同夾角對(duì)公路變形破壞的影響，在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變公路與工作面的夾角來(lái)模擬研究工作面推進(jìn)方向?qū)纷冃纹茐牡挠绊?，夾角變化為0°～90°，數(shù)值模擬中選取幾個(gè)典型的角度，與工作面中心錯(cuò)開(kāi)一定的位置，防止最大下沉數(shù)值相等，因考慮到實(shí)地實(shí)驗(yàn)的不可行型，因此采用室內(nèi)數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法，模擬設(shè)計(jì)工作面與公路之間的夾角分別為20°、45°和80°，其相對(duì)工作面位置如圖1所示。

圖1 工作面走向方向與公路不同夾角模型圖

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

按照上述實(shí)驗(yàn)方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面開(kāi)采對(duì)路面的變形影響[6]，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，對(duì)公路底部施加位移約束[6]，公路橫向方向、路面表層及邊界不施加約束；模型底板在豎向、水平方向施加位移約束條件，模型頂部為自由邊界，自應(yīng)力為模型初始應(yīng)力。模型按照水平煤層進(jìn)行建立，建立的模型長(zhǎng)1 200 m、寬1 200 m、高400 m，網(wǎng)格平面尺寸為10 m×10 m，便于工作面推進(jìn)計(jì)算。初始模型建立完畢后，利用FLAC3D軟件中的Fish語(yǔ)言編制地表變形提取程序，提取工作面開(kāi)挖后的地表下沉和水平變形數(shù)據(jù)，為直觀顯示不同推進(jìn)距離下的下沉情況，以模型中心（600 600 20）為截面中心點(diǎn)，沿公路走向方向分別提取數(shù)據(jù)，并繪制相關(guān)曲線，如圖2、3所示。

圖2 不同方向夾角地表下沉

在提取地表下沉和水平變形數(shù)據(jù)時(shí)，由于20°夾角和45°夾角是貫穿整個(gè)模型的，即x值是從0變化到1 000，而45°夾角和80°夾角是y值從0變化到1 000，這是由工作面和公路夾角不同所致，在方向?yàn)?0°時(shí)，由于其橫坐標(biāo)并沒(méi)有完整的穿過(guò)走向方向，因此其數(shù)值由400～600 m變化，而不是0～1 000 m變化，因此在繪制公路下沉和水平變形值時(shí)，將二者分開(kāi)繪制，以便最大程度的顯示數(shù)值變化差別。為了更直觀的觀察數(shù)值變化、分別二者之間的關(guān)系，將下沉和變形極值對(duì)比極值統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 不同夾角極值對(duì)比統(tǒng)計(jì)

開(kāi)采沉陷對(duì)公路的損害評(píng)價(jià)指標(biāo)分別有地表下沉、水平移動(dòng)、水平變形、傾斜以及斜率[7]，由于移動(dòng)和傾斜的特殊性，其沉陷造成的地表效果往往是均勻的，對(duì)于公路這種線性構(gòu)筑物來(lái)說(shuō)，起影響的變形指標(biāo)為下沉和水平變形[8]，因此本文中，作者選取了下沉和水平變形這兩個(gè)指標(biāo)?？梢钥闯龉肥艹两底冃斡绊懙姆秶S著工作面走向方向和公路沿線方向之間夾角的增大而不斷減小，整體呈線性減小趨勢(shì)為1 mm/°，而水平變形則沒(méi)有顯現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，20°與45°近似相等，80°時(shí)最大，達(dá)到5.9 mm/m，從開(kāi)采沉陷的角度來(lái)看，此時(shí)，公路已發(fā)生較大的變形，應(yīng)做好及時(shí)處理。

鑒于對(duì)路面變形破壞的評(píng)估指標(biāo)主要是水平變形，結(jié)合圖3和表1可以看出：當(dāng)線路走向與工作開(kāi)采前進(jìn)方向夾角為20°的水平變形大于45°夾角的情況，與此同時(shí)80°夾角的水平壓縮變形極值遠(yuǎn)大于20°和45°，且三者極值變化并非是線性關(guān)系，而本次的模擬實(shí)驗(yàn)僅做了3個(gè)夾角的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，單從數(shù)值變化來(lái)看，水平變形值并不是隨著夾角的變化而均勻變化，說(shuō)明水平變形在兩者變化0°～90°夾角之間存在極小值，預(yù)估在50°～60°之間。因此公路在設(shè)計(jì)時(shí)，可以刻意將工作面推進(jìn)方向和公路方向設(shè)置為60°左右，以最大程度的減小開(kāi)采沉陷水平變形對(duì)公路的損害。在用概率積分法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，默認(rèn)為地表移動(dòng)盆地為均勻性而不存在突變，因此公路地表下沉一般為均勻下沉，若下沉已對(duì)公路使用造成影響，應(yīng)及時(shí)采取公路墊高等修護(hù)措施。對(duì)于水平變形數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，由于公路在建設(shè)施工前期已經(jīng)考慮了一定程度的變形，因此在滿足公路變形指標(biāo)的情況下，可以認(rèn)為公路是安全可靠的。若在施工建設(shè)開(kāi)始前，已知地下有工作面推進(jìn)，應(yīng)在公路施工時(shí)，適當(dāng)多使用抗變形材料，以抵抗開(kāi)采沉陷帶來(lái)的水平變形同時(shí)減少公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

圖3 不同方向夾角地表水平變形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析了開(kāi)采工作面與公路在不同夾角情況下的移動(dòng)變形特征，研究結(jié)果認(rèn)為：

1）隨著工作面走向與公路沿線方向之間的角度增大，公路的地表下沉和水平變形均發(fā)生變化，下沉極值隨著角度的增大而逐漸減小，整體呈線性減小趨勢(shì)為1 mm/°，而水平變形則沒(méi)有顯現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

2）當(dāng)工作面與公路夾角為20°和45°時(shí)，其水平變形值近似相等，80°時(shí)最大，達(dá)到5.9 mm/m，認(rèn)為0°～90°夾角之間存在極小值，預(yù)估在50°～60°之間。了解工作面與公路不同方向的地表下沉變形規(guī)律可在一定程度上指導(dǎo)公路設(shè)計(jì)，為實(shí)際工程建設(shè)提供依據(jù)。

3）非平行視角，工作面開(kāi)采對(duì)公路移動(dòng)變形的影響同樣適用與其他線性構(gòu)筑物相參照。