基于FLAC3D的復雜空區對地表公路影響研究

胡建軍

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

礦山有用礦體被采出后，采區周邊巖體應力將重新分布，此過程若發展到地表，則可能發生連續或非連續的地表變形，給地表建、構筑物帶來安全隱患[1-3]。目前已有的開采沉陷理論研究方法很多，如概率積分法[4]、典型曲線法[5]、剖面函數法[6]、拱形冒落論[7]、懸臂梁冒落論[8]、砌體梁平衡論[9]等，但是開采過程中復雜的地質條件,以及眾多多變的影響因素，是此類方法無法考慮的，特別是受復雜空區群影響下的地表移動變形，以上研究方法難以給出較為合理的解答。隨著巖石力學的發展以及計算方法的不斷進步，數值模擬為巖石力學研究和工程設計提供了重要的依據，FLAC3D是基于連續介質理論的有限差分軟件，其可以考慮巖層及斷層等地質因素、礦山開采順序、復雜空區形態等眾多因素[10-12]，對于研究復雜空區群對地表移動變形影響具有很好的輔助作用，該研究方法對于研究地表移動變形具有重要的借鑒意義。

1 工程背景

某礦礦巖成因類型為層控接觸變質類型的似層狀亞型，經變質作用蝕變而成。礦區位于海拔30～220m的丘陵低山環抱的盆地中，地勢東高西低，區內斷裂有十二條，其中規模較大的斷裂為F8、FD12、FD14，均為正斷層，傾角60～80°，垂直斷距12～26m，對礦體有切割，前期開采留有保安礦柱，未切割采空區，礦體傾角10°左右，頂底板均為大理巖。礦區地面建、構筑物主要有某高速公路及某國道從礦區東西兩側平行穿越礦區地表。

該礦一直采用全面空場采礦法開采，井下不劃分礦塊，不開掘采切巷道，在水平運輸兩側推進。采場內留有規則或不規則礦柱，礦柱直徑大于3m，間距8～10m，局部頂板破碎處，用廢石水泥砂漿壘垛加強支撐，空頂面積80～100m2，預留的不規則礦柱形成了地下復雜空區(圖1)，空區圍巖破壞、變形可能會發展到地表，造成地表建構筑物破壞，形成隱患。

圖1 礦區礦柱分布圖

2 數值模型

礦區目前開采現狀采空區水平占地面積約420m×400m，隨礦體走勢分±0，-20，-40三個水平，為了保證模擬計算的快速、準確，選取平行斜井方向為X方向，水平面內垂直斜井方向為Y方向，定義豎直向上為Z方向，建立數值模型。為了更加真實的反映圍巖環境，向礦區水平方向各增加了約400m，自目前采空區底板向下延伸160m，形成了尺寸為1220m×1200m×260m的計算模型，其中重點研究部位是礦區位置，如圖2所示。

當空區距地表較淺時，車輛荷載作用會在一定程度上加重地表沉降，該礦采空區平均埋深約100m，假設公路行駛一輛載重20t貨車，以集中荷載考慮，根據文獻[13]述，集中荷載作用下地基擾動深度為D=(30p/πγ)1/3，取p=20t，空區上覆巖土體平均容重取γ=25000kN/m3，計算得D=4.2m，即單輛車對巖體作用深度很有限。考慮到公路車輛為瞬時移動荷載，而且其對下方巖體作用又很有限，為研究方便，此次模型暫不考慮地表車輛荷載。

圖2 數值計算模型

模型四個側面設置位移邊界條件，限制水平移動，模型底面限制垂直移動。礦山目前開采現狀南北共有三個大采區，分±0，-20，-40三種水平。根據采空區劃分范圍數值計算的細化模型如圖3所示，巖土體及斷層力學參數如表1、表2所示。

圖3 采空區模型平面分布與地表公路對照圖

表1 巖體力學參數

表2 斷層力學參數

根據現場取樣和巖石力學試驗結果，研究的巖體以角礫巖和大理巖為主，屬于彈塑性材料，計算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞。

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應力，c，φ分別是粘結力和摩擦角。當fs>0時，材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產生拉破壞。

3 地表移動變形分析

從巖體應力及破壞狀態看，在開采現狀下，礦柱及頂板巖體受力狀態基本合理，礦柱所受最大主應力均小于其抗壓強度，處于穩定狀態，但在一些小截面柱和帶尖角的礦柱處存在應力集中現象，應采取一些保護措施，以防其風化導致有效承擔面積減小而發生礦柱內應力增大，從而造成失穩破壞，增大地表移動變形。

在礦區范圍內，高速公路和國道橫穿礦區地表，礦層開采引起的地表沉降可能會影響到這兩條公路的正常運行，空區可能對地表產生連續性或非連續性位移變形，采空區可對地表公路產生以下宏觀變形模式[14]：①產生陷坑、臺階；②路基、路面局部開裂；③坡度發生變化，彎道處易發生事故；④路面發生波浪起伏；⑤路面與路基間發生局部離層。

圖4是礦區范圍內地表沉降圖，從圖中看出，礦區的開采對地表移動變形產生了一定程度的影響，由于FD12斷層的存在及空區的復雜不規則分布，其影響范圍并不關于礦區對稱分布。在南Ⅲ-20-1采區頂板局部破壞的影響下，地表沉降中心發生在南Ⅲ-20-1采區靠近FD12斷層部位的正上方，但沉降值不大。數值計算結果表明，地表大部分區域沉降值不到1mm，最大值控制在4mm之內。

圖4 礦區地表沉降圖(單位：mm)

從礦區沉降等值線圖可以看出，地表變形后出現三個沉降中心，分別位于南Ⅲ-20-1采區，南Ⅲ±0-1采區和南Ⅲ-40采區附近的正上方；沉降中心遠離高速公路與國道。由于南Ⅲ-20-1采區礦柱尺寸較小，且開采面積較大，又受附近FD12斷層的影響，使得這一區域地表沉降量最大，變形相對嚴重。

國道與高速公路豎向變形曲線如圖5所示，可以看出沉降值不大，最大值僅為3mm，不影響公路運行。但因采空區上方公路兩側地表出現回彈，易使路面受拉伸開裂、壓縮隆起，路面發生波浪起伏及路面與路基間的局部離層。圖6為垂直于國道與高速公路方向的地表沉降曲線，可以看出，采空區引起縱向沉降量值不大，但不均勻沉降明顯，需注意單向傾斜使公路坡度發生變化，導致行馳車輛重心偏移。兩條公路遠偏離于沉降漏斗中心位置，即兩條公路沒有從地表沉降最嚴重的地方通過。

綜上所述，采空區對地表影響值不大，不影響公路運行，但采空區引起的公路坡度變化，易導致行馳車輛重心偏移；變形不協調導致路面壓縮隆起，發生波浪起伏及路面與路基間局部離層現象值得關注。

圖5 公路中心線沉降曲線

圖6 垂直公路斷面地表沉降曲線

4 結論

1) 對空區群現狀形成過程進行模擬反演表明，空區開采后地表沉降量較小，不影響公路正常運行，但采空區引起的公路坡度變化、波浪起伏及路面與路基間局部離層現象應予以重視。

2) 受礦山開采空區群復雜分布的特點影響，引起的地表沉降是不均勻的，地表公路受其影響下易發生路面起伏、坡度變化等危害。

3) 利用三維數值模擬軟件可以方便的模擬復雜空區開采，研究復雜空區影響下地表移動變形規律是可行的，能夠較為準確的預測地表移動變形情況，可供類似研究借鑒。

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