公路下伏采空區(qū)變形及受力特性研究

文/張柱 榆林公路管理局 陜西榆林 719000

1、引言

本文以陜西彬縣大佛寺煤礦（煤層厚度15m）為依托，采用大型離散元軟件UDEC 來研究煤層開采寬度對(duì)特厚煤層開采的影響，通過對(duì)不同開采寬度的開采，研究地表沉降變形、地表水平移動(dòng)變形、圍巖應(yīng)力場和位移場分布特征，為采空區(qū)上方修建道路提供理論依據(jù)。

2、數(shù)值模型及分析方案

2.1 數(shù)值分析模型

大佛寺礦區(qū)位于彬長礦區(qū)開采邊界內(nèi)，采礦許可范圍東西長約15km，南北寬約5.8km，生產(chǎn)能力為500 萬t/a。煤層埋深約為410m，煤層平均厚15m。

為了方便研究不同采寬對(duì)特厚煤層開采的影響，模型設(shè)定為單一工作面開采，長度為1000m，垂直高度為500m，煤層厚度為15m。本文采用大型離散元軟件UDEC 來模型采寬對(duì)特厚煤層開采的影響。

2.2 分析方案

為了研究不同采寬對(duì)厚煤層開采的影響，設(shè)定采寬分別為：10m，20m，30m，40m，50m，60m，70m，80m，90m。

3、開采寬度的影響研究

3.1 地表沉降規(guī)律

不同采寬條件下地表的沉降變形如下圖所示：

地表沉降變形曲線近似呈V 字形，以采空區(qū)中軸線為軸對(duì)稱圖形。各測點(diǎn)離開采工作面越近沉降變形越大，且隨著開采寬度的增加沉降槽的深度也逐漸加大。開采寬度對(duì)地表沉降變形影響顯著，采寬為10m 時(shí)地表的最大沉降變形僅為28.2mm，而當(dāng)采寬增加至90m 時(shí)該值增至5169mm，增加了約180 倍。此外還可以看出當(dāng)采寬增至40m 時(shí)沉降變形開始突然增大，40m 采寬是地表沉降變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)采寬小于40m 時(shí)地表沉降幾乎可以忽略，但當(dāng)大于40m時(shí)地表沉降變形開始顯著增長。

3.2 地表水平移動(dòng)變形

不同采寬時(shí)地表的水平移動(dòng)變形如下圖所示：

地表水平移動(dòng)曲線存在兩個(gè)極大值，以采區(qū)中線呈中心對(duì)稱分布。采區(qū)中線兩側(cè)地表相向移動(dòng)，中線地表水平移動(dòng)變形為0。地表移動(dòng)變形最大值在距采區(qū)中線100m 處，且隨著開采寬度的增大該值也相應(yīng)的增大。當(dāng)開采寬度為10m 時(shí)地表水平移動(dòng)最大值約為9.10mm，而當(dāng)開采寬度增至90m 時(shí)該值增大為150.2mm，增加了約15 倍，其增加幅度遠(yuǎn)小于地表沉降變形。但同地表沉降變形一樣，隨著采寬的增加水平移動(dòng)變形也存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即當(dāng)采寬超過40m 時(shí)地表水平移動(dòng)變形開始顯著增長。

3.3 圍巖應(yīng)力場分布特征

煤層開采后引起圍巖應(yīng)力釋放和調(diào)整，圍巖豎向應(yīng)力場等值線圖呈豎井狀分布。隨著開采寬度的逐漸增大圍巖應(yīng)力場受擾動(dòng)的范圍不斷增大，應(yīng)力集中區(qū)域也不斷發(fā)展。當(dāng)采寬為10m 時(shí)受擾動(dòng)范圍極小且?guī)缀蹩床坏綉?yīng)力集中區(qū)，而當(dāng)采寬增至40m 時(shí)兩側(cè)圍巖出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)開采增至90m 時(shí)這一范圍進(jìn)一步擴(kuò)大并已發(fā)展至地表(圍巖應(yīng)力最大值約為-16.0MPa)。可見采寬為40m 是應(yīng)力發(fā)生顯著變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這與前面地表變形的分析結(jié)果一致。

3.4 圍巖位移場分布特征

圍巖豎直位移場的分布情況與地表變形及圍巖豎直應(yīng)力場的特征相一致。采寬為10m 時(shí)圍巖的變形較小，頂板的沉降值約為20cm，底板的隆起變形約為8cm。采寬增至40m 時(shí)頂板出現(xiàn)了垮落現(xiàn)象且其高度約為20m。隨后隨著采寬的繼續(xù)增大，垮落高度和范圍進(jìn)一步增大，當(dāng)采寬增至90m 時(shí)垮落高度增至40m，且垮落的范圍也顯著增大，變形場呈現(xiàn)出明顯的分層分帶現(xiàn)象。采寬40m 是煤層頂板是否發(fā)生垮落的分界值。

結(jié)論：

本文通過對(duì)不同采寬開挖的數(shù)值模擬研究，主要取得了以下認(rèn)識(shí)：(1)地表變形隨著采寬的增大而增大；(2)采寬由10m 增至90m 時(shí)地表沉降變形增加了約180 倍，水平移動(dòng)變形增加了約15 倍。40m 采寬是地表變形顯著增長的起始點(diǎn)，當(dāng)采寬超過該值時(shí)圍巖頂板存在垮落現(xiàn)象；(3)圍巖豎向應(yīng)力場等值線圖呈豎井狀分布；(4)圍巖豎直位移場的分布情況與地表變形及圍巖豎直應(yīng)力場的特征相一致。