高等級(jí)公路采動(dòng)變形破壞數(shù)值模擬研究*

趙斌臣　郭廣禮　吳承紅

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院　江蘇徐州 221008；　2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)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)

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高等級(jí)公路采動(dòng)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(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院江蘇徐州 221008；2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)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(duì)采動(dòng)影響下的高等級(jí)公路破壞機(jī)理和破壞過(guò)程進(jìn)行了研究。研究表明：高等級(jí)公路采動(dòng)變形經(jīng)歷先“上凸”后“下凹”過(guò)程，且破壞程度隨著公路級(jí)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(shí)，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(kāi)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(jí)公路采動(dòng)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(guó)高等級(jí)公路建設(shè)里程日益增加，但在采空區(qū)高等級(jí)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(jí)公路屬于延伸性的線性人工構(gòu)筑物，其采動(dòng)變形特征類(lèi)似于鐵路。雖然國(guó)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(jí)公路)途徑南屯礦區(qū)的路線長(zhǎng)約8.4 km，屬于典型的高等級(jí)公路下采煤案例。公路下開(kāi)采難度比鐵路下、村莊、建筑物下開(kāi)采大，特別是高等級(jí)公路，車(chē)輛運(yùn)行速度高、密度大、運(yùn)量大，對(duì)開(kāi)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(jí)公路的采動(dòng)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(gè)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(kù)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(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用均勻設(shè)計(jì)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(shí)序分6次推進(jìn)，每次工作面開(kāi)挖尺寸均為65 m×280 m×5.78 m，開(kāi)挖結(jié)束后，數(shù)值模型運(yùn)行至相對(duì)穩(wěn)定為止才進(jìn)行下一步的工作面推進(jìn)。

1.2高等級(jí)公路數(shù)值模型

高等級(jí)公路一般指高速公路、一級(jí)公路和二級(jí)公路，本文通過(guò)改變公路尺寸來(lái)模擬不同等級(jí)的高等級(jí)公路在采動(dòng)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(chēng)為“路面”。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)，對(duì)各等級(jí)高等級(jí)公路數(shù)值模型的路面和路基尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，橫斷面尺寸如圖1所示。

(a)高速公路　　　　　　　　　　　　　(b)一級(jí)公路　　　　　　　　　　　　　(c)二級(jí)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(dòng)變形對(duì)高等級(jí)公路的影響

2.1數(shù)值模擬方案

高等級(jí)公路破壞變形破壞的原因可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素和環(huán)境因素[6]，采動(dòng)變形破壞屬于環(huán)境因素。為了便于研究采動(dòng)變形對(duì)不同等級(jí)高等級(jí)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(shí)序開(kāi)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(cè)點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動(dòng)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(shí)各等級(jí)公路路面的下沉模擬如圖3所示。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可看出，高等級(jí)公路路面的下沉量隨著采動(dòng)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(jí)公路級(jí)別越高，路面下沉越明顯，高速公路的下沉量大于一級(jí)公路和二級(jí)公路。

圖2高速公路路面下沉

圖3工作面推進(jìn)325 m時(shí)，

各等級(jí)公路路面的下沉

二級(jí)公路在x=1 000 m處橫截面上的下沉如圖4所示。通過(guò)分析可知，受采動(dòng)變形影響過(guò)程中，路面先“上凸”后“下凹”，且隨著采動(dòng)程度的增加，從該過(guò)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(jí)公路在x=1 000 m處橫截面上的水平移動(dòng)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(dòng)，路面開(kāi)始受到壓縮變形，在移動(dòng)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(guò)程可知，路面的破壞程度隨著公路級(jí)別的降低而增加。

圖4二級(jí)公路x=1 000 m處橫截面下沉

圖5x=1 000 m處各等級(jí)公路橫截面水平移動(dòng)

3采空區(qū)空間位置差異對(duì)高等級(jí)公路的采動(dòng)影響

3.1數(shù)值模擬方案

根據(jù)南屯煤礦井上、下對(duì)照?qǐng)D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(duì)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(duì)位置時(shí)，研究工作面開(kāi)采對(duì)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(dòng)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(shí)序開(kāi)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(cè)點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動(dòng)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(guò)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(shí)路面的水平位移(見(jiàn)圖7)為例，公路位于采空區(qū)一側(cè)時(shí)，路面的水平位移也明顯減小。同時(shí)提取x=1 000 m處路面橫截面中心和兩側(cè)的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的下沉值和水平移動(dòng)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(duì)中心的擠壓作用較公路位于采空區(qū)正上方時(shí)的小。

圖6位于采空區(qū)一側(cè)時(shí)路面下沉

圖7工作面推進(jìn)390 m時(shí)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(kāi)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(cè)點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動(dòng)變形值。路面在延伸方向的中心軸線上的下沉(見(jiàn)圖8)，與高速公路位于采空區(qū)正上方時(shí)路面的下沉過(guò)程相比，斜交時(shí)路面的最大下沉值有所減小，但二者的下沉過(guò)程相似。

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

圖8與采空區(qū)斜交時(shí)路面下沉

圖9與采空區(qū)斜交時(shí)公路水平移動(dòng)

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(cè)點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動(dòng)變形值。

當(dāng)公路與采空區(qū)垂直時(shí)，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(shí)，路面的下沉量最大。

圖10與采空區(qū)垂直時(shí)路面下沉

為了研究公路與采空區(qū)垂直時(shí)，路面橫截面處的采動(dòng)變形情況，繪制y=480 m處路面橫截面下沉和水平移動(dòng)過(guò)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(dòng)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(dòng)

4不同深厚比對(duì)高等級(jí)公路采動(dòng)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(shí)，地表移動(dòng)和變形在空間和時(shí)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(kāi)采方案和各巖層物理力學(xué)參數(shù)不變，通過(guò)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(gè)層面的網(wǎng)格劃分不變，將礦區(qū)模型劃分為12 500個(gè)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(cè)點(diǎn)，提取路面下沉和水平移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，路面下沉和水平移動(dòng)曲線光滑性變差，尤其是深厚比為40.9時(shí)，路面出現(xiàn)小階梯狀變形?？梢?jiàn)當(dāng)采厚不變、采深小于一定值時(shí)，路面的移動(dòng)和變形的連續(xù)性遭到破壞。同時(shí)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(dòng)變形影響下，高等級(jí)公路路面采動(dòng)變形經(jīng)歷先“上凸”后“下凹”過(guò)程，且破壞程度隨著公路級(jí)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(jí)公路和二級(jí)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。

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(收稿日期：2015-10-15)

作者簡(jiǎn)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(cè)量教學(xué)與研究。

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