第26卷第1期 陈晓斌,等.高速公路采空区工程处理范围确定方法 ·163· 控制指标确定采空区工程处理范围,关键是采空区 地面变形的计算问题。 国外早在19世纪末就开始研究采空区地面变 形计算方法,目前在采空区地面变形计算领域主要 有经验计算方法和理论计算方法。1871年,比利时 的狄孟最早提出估算地面点下沉量的公式l1];1925 年,坎因霍斯特在前人工作的基础上研究了水平移 动,得到了计算地面水平位移的公式ll J;1929年, 加拿大的P K.Rowe和K.M.Lee[2]用间隙值来模拟 地层损失,提出了地面变形计算公式 J;1947年, 苏联学者阿维尔申得出了下沉盆地剖面方程l 4l;1969 年,美国的Peck提出了地层损失的概念和估算地面 下沉的Peck公式I ;1981年,英国的P B.Attewell 给出了地面沉降槽计算公式【6】。在数值计算方面, 已经发展成了有限单元法、边界单元法、离散单元 法及有限差分法等。尽管国外很早就开展了采空区 地面变形计算研究,但是目前在该计算领域至今仍 然未能建立一种普遍公认的合理计算模型L7 J。 20世纪80年代开始,英国、波兰、德国等国 学者研究了采空区对公路地面变形危害性 J,如Jones Kenneth,S.M.Sargand,M.C.Wang等,但都没有 系统的研究成果;美国在科罗拉多一公路上进行了 采空区地面变形的研究,但也没得到满意的研究成 果『l 。正因为缺少可行的采空区地面变形计算方 法,从而高速公路采空区工程处理范围确定问题一 直没有得到很好的解决…, 】。国内许多学者 ” 也进行了相关研究,取得了一些研究成果。刘宝琛 和缪国华ll 把随机介质理论发展并应用于采空区 地面位移计算领域,成功解决了采空区地面变形计 算难题。本文依据随机介质理论,建立了采空区地 面变形计算模型和开发相关计算程序,提出地面变 形控制指标,比较圆满地解决了高速公路采空区地 面变形计算和采空区工程处理范围确定问题。 2采空区地面变形计算模型 2.1随机介质理论 随机介质理论由波兰科学院J.Litwiniszyn教授 创立,后经刘宝琛院士发展完善,并广泛应用于岩 土工程领域。在三维欧氏坐标系(z为沿开采深度方 向垂直轴;X,Y为互相垂直的水平坐标轴)中,根据 随机介质理论,地面下沉盆地系数w的表达式L2 为 bW(z,X,Y) az B11(z' ,)7) + Ox B12(Z,X,)7) av (z,一 X,Y) a)71)—— 圣: : + v +Al(z' ’ A2(z, ,)7) + Uy N(z,X,y)W(z,X,Y) (1) 式中:Bl1(Z,X,)7),B12(z,X,)7),B22(Z,X,)7), A1(z,X,)7),A2(z,X,)7),N(z,X,)7)均为介质结 构参数。 2.2计算模型 对于倾斜成层介质下沉盆地函数为 警=Kjj(z) +K22(z) 圳z 州z w (2) 式中: (z),K (z)分别为下沉盆地在岩层走向和 倾向上影响半径的函数,计算时令bl=K (Z), b2=K (z),其中b。,b 为水平移动系数; (z)为 下沉盆地向岩层倾斜方向偏移函数;N(z)为岩体介 质移动过程中体积变化函数,在实际问题分析中可 以假定体积不变,即N(z):0,只要求得单元开采 引起的下沉盆地单元,其他任意开采域引起的地面 下沉盆地通过积分可得。 依据随机介质理论,单元开采引起的地面单元 下沉盆地 、地面单元水平移动 和 的表达 式分别为 = 唧 高]] · 唧 ]} (3) 高 (- (z)-p'(z)lWo (z)=4兀Kl1(z)dz (z)=4n K22(z)dz (4) ㈡ 维普资讯 http://www.cqvip.com ·l64· 岩石力学与工程学报 2007年 式中:k2,n2为试验参数。 由于Z= 地面)时, (z)=P,故有:k = P=Htan0。其中,0为开挖传播角,H为开挖深 度。由式(4)可得 m ( 百1= ( 综合上述,可导出各地面变形分量,再通过坐 标变换,可得各主变形分量,包括最大主变形、最 小主变形、最大倾斜变形、最大主曲率和最小主曲 率。轴向水平变形分量为 警一 岛=等=[- )等一 (6) 剪切变形分量为 等++ 一斋, 一 . 等一一 ( 枷 j警 俪斜蛮形分量为 一 bx=一焉2(z )”。 等一 一— (8) 曲率分量为 = +竿)we = +字)we J ̄g(N下弯曲为负,向上弯曲为正)定义为 k =厩 (11) 假设高速公路地面下为各向同性半无限空间, 有了单元开采的地面变形计算结果,通过积分叠加 即可求出总开采空间 引起的地面变形矢量为 F= JJ』 岫dz (12) 妇 式中:F为地面变形矢量,且有F={ ,U , w,ex, },U ,U、.均为地面水平位移, 均为地面变形分量;F为开采单元地面e 变形矢量,且有 ={U ,U。 ,we, , , }; 77为地面下沉折减系数。 很多情况下开挖空间不是全部坍塌,而仅仅是 开挖空间的收敛,只要计算开挖空间的收敛而引起 的地面变形,所以在计算中的开挖空间 应该就是 收敛空间(见图1)。设开采空间为 ,收敛后空间为 则由于地下开挖空间收敛而引起的地面变形为 (13) 该计算模型共有5个参数:,z ,77, b。,b , 其中,n 为试验参数,0为开挖影响传播角,b。,b 为水平移动系数。 / 图1 采空区地面位移计算模型 Fig.1 Ground deformation comput ̄ion model of g0af 2.3计算模型参数确定 计算模型参数X={,z ,rl, b。,b },这些 参数受到开挖和岩土层条件的影响,目前难于采用 简单计算公式确定。由于参数取值准确与否却是地 面变形计算结果是否准确的关键,故在问题求解中 采用位移反分析方法确定模型参数。在地质条件类 似的矿区布置测线进行位移观测,再通过反分析技 术得到模型参数。假设1组地面位移观测值 , :,, : ,由初步估计的参数计算所得地面位移为 U U ,可建立如下目标函数: minF(X)= min{∑( 一 ) +∑( 一 二) +∑ 一Uy j (14) 上式可求解无约束条件的最优化问题。本文采 用变尺度法求解,编制了求解模型参数的反分析计 算程序(POBA),其计算程序流程如图2所示。 2.4计算程序GSM 基于随机介质理论计算模型编制了计算程序 GSM(ground surface movement),用于计算采空区地 维普资讯 http://www.cqvip.com 第26卷第1期 陈晓斌,等.高速公路采空区工程处理范围确定方法 ·165· 区上高速公路视为I级构筑物进行保护,其地面变 函t —————T—一 确定有平移情况 的边界数(M1) ● 确定边界平移值 形控制指标见表1,这是高速公路采空区工程处理 范围确定的依据。 表1 高速公路地面变形控制指标 Table 1 Deformation controlling indexes of high way ground 入控制精度/ ' Il节点重新排序I { £三重积分的位置: suBNDOD l SUBIBM ● t Ij 确定积分次序I SUB ORDER J , 进行无约束优化: SUBDFP t 变形控制指标 保护等级—— 倾斜/(am·m。。r)水平变形/(mm·m )主曲率,(10 m。。) I ≤2.0 ≤1.5 ≤5O 积分限中常数的确定:I 计算地表移动情况: 瓣一 SUB LICON lSUBGSM1 t ’ l f积分小区间划分lSUB LL f 输出所有计算结果 厂 ] 图2 POBA计算程序流程 Fig.2 Procedure of the POBA program 面变形,GSM计算程序流程如图3所示。计算程序 GSM采用高斯法求解三重积分问题,先将积分区间 划分成若干个相等的子区问进行积分,再将各子区 间积分叠加得到总的开挖空间积分值,最终求得总 的采空区地面变形分布规律。 ( 塑) 匝圃① 匝固② 巫置嚣 ⑩ 匦圃⑧ 二巫 ⑥ I ........一 计算积分限中的常数I⑩ 读顶板下沉特性1④ 二二二[二二 定积分限应分的小区间数 读开采块体数据l⑤ 二二二1二二 读控制参数IAUTI⑥ 读控制参数IFO l⑨ 图3 GSM计算程序流程 Fig.3 Procedure of the GSM program 3高速公路地面变形控制 为了保证高速公路安全,采空区坍塌引起地面 变形应当在高速公路路堤和路面所能承受的范围 内,否则必须对采空区进行工程处理。公路交通领 域对地面变形的研究不多,目前我国公路行业还没 有规定地面变形控制指标,为了保证高速公路的安 全,必须对采空区上高速公路的地面变形控制指标 做出规定。本文参照煤炭部门的变形标准,把采空 4工程实例分析 4.1工程概况与计算边界 一幕 耒宜高速公路处于湘南,是湖南重要采煤地区, 公路沿线分布许多煤矿,煤炭开采后在高速公路沿 线留下大量的采煤巷道采空区。其中东王矿井口位 于K246+020左20 m部位东北侧山坡上(见图4), 其地层情况见表2。井口标高为161.48 m,采用单 斜井,主斜井长约160 m,坡度为35。,主要在 110.6 m开采。 I钻孔 钻孔 钻孔 +1O0m ::::::: ·一 +80 m 图4东王矿采空区立面图 Fig.4 Profile of Dongwang mine goaf 表2东王矿地层情况 Table 2 Strata of the Dongwang mine 枢力kN.m [;P,/.Z c/MPa 豢 …述 采空区为倾斜煤层,煤层倾角为35。,开采厚 度为10 m,埋深约40 m。对典型的巷道采煤形成的 采空区进行计算和分析,采煤巷道尺寸为5 mx5 m, 维普资讯 http://www.cqvip.com ·166· 岩石力学与工程学报 2007年 计算范围为300 m×300 m,计算范围和边界情况如 图5所示。 高速公路中心线 +l60m +l50m 十140m +l30m 十l20m 图5计算范围和边界情况 Fig.5 Computation scope and boundary of the model 4.2计算模型参数确定 白山坪矿与东王矿同属于一个地区,并且地层 情况类似,白山坪矿积累了丰富的地面变形观测数 据,所以采用白山坪矿地面位移监测资料通过反 分析求东王矿计算模型参数。选择典型侧线C数 据进行模型参数位移反分析计算,侧线C各测点布 置和计算模型如图6所示,其沉降实测数据如表3所 不。 图6侧线C各测点布置和计算模型(单位:m) Fig.6 Surveying points in line C and back analysis model (unit:m) 采用反分析程序POBA,进行反分析得到计算 模型参数如表4所示。 4.3地面位移计算结果 采用计算程序GSM,对典型巷道采煤留下的采 空区进行计算,其计算结果如图7~10和表5所示。 在进行巷道采空区计算时,假设巷道将来全部坍塌 来计算地面变形结果。 表3侧线C各测点沉降实测数据 Table 3 Data of surveyed points in line C inin 表4计算模型反分析参数 Table 4 Computing model parameters from the back analysis x/m 图7地面下沉等值线(单位:inin) Fig.7 Contours of the ground settlement(unit:inin) 300 250 200 l50 l00 50 0 50 100 1 50 200 250 3O0 x/m 图8地面最大主变形等值线(单位:mm]m) Fig.8 Contours of the max main ground strain(unit:mm]m) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第26卷第1期 陈晓斌,等.高速公路采空区工程处理范围确定方法 ·167· 图9地面最大倾斜等值线(单位:illll1]m) Fig.9 Contours of the max main ground strain(unit:mm/m) 图10地面最大主曲率等值线(单位:10一 m ) Fig.1 0 Contours of min main ground curve rate (unit:10一 m一 、 表5东王矿采空区地面变形影响范围 Table 5 Goaf ground deformation effect ion scope in the Dongwang mine 计算结果表明,位于高速公路的采空区坍塌后 正上方一定范围内的地面变形超出了表1关于高速 公路地面变形控制指标,东王矿巷道采空区地面变 形影响范围见表5。 由图7~10及表5可知,在东王矿中对于巷道 采煤留下的采空区,距离高速公路路基边线28.0 m 范围以内时必须进行工程处理。 为了分析东王矿巷道采空区深度对地面变形的 影响,计算了埋深从30 ̄45 m不同深度条件下高速 公路单巷道采空区坍塌而造成的地面变形最大值, 计算结果见表6。 表6不同深度采空区对地面变形影响 Table 6 Different goaf depths effecting on ground deformation of the Dongwang mine 最 最大水平变形最大地面倾斜最大主/m/arm/(mmml)/(armml)/(10-6m -j) 由表6可知,对于巷道采空区,东王矿采空区 合理的处理深度为45.0 m。 综上所述,对于东王矿单巷道采空区,合理的 工程处理范围为高速公路路基边线28.0 m内,深度 确定为45 m深度以上的采空区。在此范围内的采空 区,地面变形最大值超过高速公路地面控制指标时, 必须进行工程处理。 5结论 (1)基于随机介质理论的地面移动和变形计算 模型可以解决高速公路下覆采空区坍塌后对高速公 路地面变形的计算问题。 (2)在交通行业暂时没有规定高速公路地面变 形控制指标时,参照煤炭部门地面变形控制指标 确定其下覆采空区工程处理范围。采空区高速公路 地面变形控制指标:倾斜变形≤2.5 mm/m,水平变 形≤1.5 mm/m,曲率≤50 ̄10 r。。。 (3)耒宜高速公路东王矿处地下采空区的工程 处理范围为距离路基边线28.0 m范围内和地下 45.0 m深度以上的采空区。 参考文献(References) ̄ fl】 刘宝琛,张家生,廖国华.随机介质理论及其在矿业工程中的应 用【M】.长沙:湖南科学技术出版社,1999.(LIU Baochen,ZHANG Jiasheng,LIAO Guohua.Stochastic medium theory and its application to the mining engineering[M].Changsha:Hunan Science and Technology Press,1999.(in Chines e)) 维普资讯 http://www.cqvip.com
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