公路下伏采空區變形及受力特性研究

張柱

【摘要】近些年來，隨著交通建設的快速發展，高等級公路建設中越來越多地遇到下伏采空區，要想在采空區的地面修建我們的公路并保證公路的穩定性，就非常有必要對煤礦開采后，地表的沉降、地表水平位移、采區圍巖應力場、采區圍巖豎直位移進行研究。研究結果表明：煤層開采后地表沉降呈V字形分布，隨著開采寬度的增加地表沉降槽的深度也逐漸加大;地表水平移動曲線存在兩個極大值，以采區中線呈中心對稱分布;圍巖豎向應力場等值線圖呈豎井狀分布;圍巖豎直位移場的分布情況與地表變形及圍巖豎直應力場的特征相一致。

【關鍵詞】公路下伏采空區;采寬;地表變形;地表水平變形

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特厚煤層開采的影響，通過對不同開采寬度的開采，研究地表沉降變形、地表水平移動變形、圍巖應力場和位移場分布特征，為采空區上方修建道路提供理論依據。

2、數值模型及分析方案

2.1 數值分析模型

大佛寺礦區位于彬長礦區開采邊界內，采礦許可范圍東西長約15km，南北寬約5.8km，生產能力為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特厚煤層開采的影響，模型設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來模型采寬對特厚煤層開采的影響。

2.2 分析方案

為了研究不同采寬對厚煤層開采的影響，設定采寬分別為：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，以采空區中軸線為軸對稱圖形。各測點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。開采寬度對地表沉降變形影響顯著，采寬為10m時地表的最大沉降變形僅為28.2mm，而當采寬增加至90m時該值增至5169mm，增加了約180倍。此外還可以看出當采寬增至40m時沉降變形開始突然增大，40m采寬是地表沉降變形的轉折點。當采寬小于40m時地表沉降幾乎可以忽略，但當大于40m時地表沉降變形開始顯著增長。

3.2 地表水平移動變形

不同采寬時地表的水平移動變形如下圖所示：

地表水平移動曲線存在兩個極大值，以采區中線呈中心對稱分布。采區中線兩側地表相向移動，中線地表水平移動變形為0。地表移動變形最大值在距采區中線100m處，且隨著開采寬度的增大該值也相應的增大。當開采寬度為10m時地表水平移動最大值約為9.10mm，而當開采寬度增至90m時該值增大為150.2mm，增加了約15倍，其增加幅度遠小于地表沉降變形。但同地表沉降變形一樣，隨著采寬的增加水平移動變形也存在一個轉折點，即當采寬超過40m時地表水平移動變形開始顯著增長。

3.3 圍巖應力場分布特征

煤層開采后引起圍巖應力釋放和調整，圍巖豎向應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力場受擾動的范圍不斷增大，應力集中區域也不斷發展。當采寬為10m時受擾動范圍極小且幾乎看不到應力集中區，而當采寬增至40m時兩側圍巖出現了顯著的應力集中區，當開采增至90m時這一范圍進一步擴大并已發展至地表（圍巖應力最大值約為-16.0MPa）。可見采寬為40m是應力發生顯著變化的轉折點，這與前面地表變形的分析結果一致。

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力場的特征相一致。采寬為10m時圍巖的變形較小，頂板的沉降值約為20cm，底板的隆起變形約為8cm。采寬增至40m時頂板出現了垮落現象且其高度約為20m。隨后隨著采寬的繼續增大，垮落高度和范圍進一步增大，當采寬增至90m時垮落高度增至40m，且垮落的范圍也顯著增大，變形場呈現出明顯的分層分帶現象。采寬40m是煤層頂板是否發生垮落的分界值。

結論：

本文通過對不同采寬開挖的數值模擬研究，主要取得了以下認識：（1） 地表變形隨著采寬的增大而增大;（2） 采寬由10m增至90m時地表沉降變形增加了約180倍，水平移動變形增加了約15倍。40m采寬是地表變形顯著增長的起始點，當采寬超過該值時圍巖頂板存在垮落現象;（3）圍巖豎向應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力場的特征相一致。

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