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(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

高速公路路基下伏小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性分析

鄒俊華,韓博,朱自強(qiáng),魯光銀

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

結(jié)合具體工程項(xiàng)目，調(diào)查了路基下伏小煤窯采空區(qū)的特征，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件和GPS地表位移監(jiān)測手段對采空區(qū)進(jìn)行了綜合研究。得出研究區(qū)原始地層和煤層開采后的豎向和水平向應(yīng)力分布特征，圍巖的塑性變形和應(yīng)力重分布特征；路基加載后，模型整體位移增大，但水平位移較?。徊煽諈^(qū)的位移變形破壞并未波及至地表就已經(jīng)達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，但根據(jù)巖體的蠕變特性，仍需對采空區(qū)進(jìn)行處治；處治后地表位移監(jiān)測結(jié)果分析與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，說明處治后采空區(qū)對高速公路的正常運(yùn)營影響不大。

路基； 采空區(qū)； 穩(wěn)定性； FLAC3D； 數(shù)值模擬； 監(jiān)測

0 引言

要想富，先修路，近來我國高速公路建設(shè)已深入到偏遠(yuǎn)山區(qū)。修建時，有些線路不可避免地要經(jīng)過采空區(qū)，特別是在我國一些富煤地區(qū)，淺部存在很多開采小煤窯，勘察時若未探明，采空區(qū)上覆圍巖的下沉及坍塌，會引起高速公路路面開裂、錯落起伏，甚至路面塌陷等大變形破壞現(xiàn)象[1]，這些將嚴(yán)重影響高速公路的建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)和維修，構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患和潛在危害[2]。

實(shí)踐證明，很多工程實(shí)例因采空區(qū)問題直接影響到高速公路的建設(shè)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此，在進(jìn)行高速公路建設(shè)前，必須查明采空區(qū)的分布，評價采空區(qū)的穩(wěn)定性，對采空區(qū)進(jìn)行及時的處治，做到防患于未然。

本文以某高速公路工程項(xiàng)目為例，介紹了研究區(qū)的煤層地質(zhì)特征與采空區(qū)分布范圍，利用FLAC3D有限差分軟件對采空區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并且通過地表位移監(jiān)測系統(tǒng)對路基進(jìn)行了長期監(jiān)測，為采空區(qū)的處治提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

某高速公路第1合同段(研究區(qū))下伏小煤窯采空區(qū)主要位于K2+100～K2+700段。根據(jù)勘察資料[3，4]，該路段地處構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌，微地貌為丘陵間寬溝谷伴一小溪前展，場地200 m范圍內(nèi)最大山體標(biāo)高約300 m，路線走廊帶地形變化不大，高差約15 m余，垂直路線右側(cè)約50 m省道320基本平行高速公路展布，場地交通條件較好。

1.1 煤層的地質(zhì)特征

本區(qū)段含煤地層主要分布在石炭系下統(tǒng)測水組(C1dc)，局部煤系地層為石蹬子組(C1ds)。巖性主要為灰色粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、細(xì)砂巖和煤層組成。場地巖層走向與南北向小角度相交，傾向北西(傾向265°～290°)，傾角較陡，傾角一般介于60°～75°之間，局部直立，伴有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。區(qū)內(nèi)煤層與巖層產(chǎn)狀一致，煤層成夾層或互層形式產(chǎn)出，主要可開采煤層厚度0.33～1.95 m，平均厚0.95 m，煤層最小埋深約為3 m，頂板為粉砂質(zhì)頁巖或炭質(zhì)頁巖，底板為粉砂質(zhì)頁巖或細(xì)砂巖，屬不穩(wěn)定型薄煤層，似層狀，為急傾斜煤層。煤層走向與路線走向夾角45°～48°。

1.2 采空區(qū)分布

根據(jù)前期勘察成果可知，煤層厚度0.33～1.95 m，采空方式主要為地下開采方式，巷道式采煤方法，巷道呈多層平硐分布，巷道斷面面積約3.8～4.3 m2；設(shè)計(jì)回采工作面采用正臺階為傾斜采煤方法，爆破、手鎬落煤，全部垮落法管理頂板。因此，采空區(qū)以采空巷道方式為主，該區(qū)域主要分布有6條采空巷道，具體分布情況如圖1所示。采空巷道呈直線型，與省道斜交，走向約170°，寬約2 m，埋深不等，從十幾米到幾十米，都有一定程度的垮塌。

圖1 采空區(qū)分布圖

2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法很多，所涉及的學(xué)科也是多方面的[5-9]。目前國內(nèi)外廣泛使用的方法有：力學(xué)分析法、經(jīng)驗(yàn)類比法、相似模擬實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析法等[10-16]。本文采用數(shù)值模擬分析法，利用有限元軟件ANSYS的前處理功能建立模型，再將模型用ANSYS — FLAC接口轉(zhuǎn)換成FLAC3D模型，然后利用FLAC3D后處理功能，對采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

由前期勘察資料可知，采煤活動已持續(xù)數(shù)十年，集體礦山開采與民采均有，開采方式以巷道為主，分布深度由數(shù)米至70多m有多層，主要以1～2 m寬的小規(guī)模斷面巷道開挖，襯砌方式以簡單木支架為主，采空區(qū)現(xiàn)狀錯綜復(fù)雜。為了便于研究，在建立模型時進(jìn)行以下簡化：

1) 因?yàn)椴煽諈^(qū)以采空巷道為主，所以將采空區(qū)開挖斷面規(guī)則化，不考慮采空區(qū)洞形的影響。

2) 由于沒有準(zhǔn)確的初始地應(yīng)力資料，所以只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力。

3) 建模范圍為研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的一段，與線路相交40°左右，垂直于采空巷道、斷層，寬度約100 m。由于地表起伏不大，視其為水平。

4) 確定各類巖土體參數(shù)時，將巖土體按性質(zhì)相似性分成若干工程地質(zhì)巖組作為有限元分析中的材料類型，材料類型簡化為3種，自上而下為：第四系松散土層、煤層、砂巖。所建模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

該區(qū)域巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)本地區(qū)巖土體材料特性，本構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用庫倫-摩爾準(zhǔn)則。體積模量K與剪切模量G可通過與彈性模量E、泊松比μ的公式進(jìn)行換算：

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)巖土名稱彈性模量/MPa泊松比粘結(jié)力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)密度/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa煤1155025180028020001路基填土755033300018021000覆蓋層900028220021020500砂巖6000022390033026821斷層2000030350031025516

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 原巖應(yīng)力特征

在數(shù)值計(jì)算之前，為了模擬現(xiàn)場的真實(shí)地應(yīng)力，首先計(jì)算巖體在自重條件下的應(yīng)力平衡狀態(tài)，得到豎直應(yīng)力云圖和水平位移云圖。如圖3所示。

從圖3可以看出: 豎直應(yīng)力呈現(xiàn)較為明顯的分層情況，應(yīng)力從上到下逐漸增大，巖體大部分區(qū)域仍為壓應(yīng)力區(qū)，豎直壓力由上到下呈逐漸增大的趨勢，符合巖體自重應(yīng)力場的分布規(guī)律。隨著模型幾何邊界的上下起伏呈現(xiàn)相應(yīng)應(yīng)力的變化，最大豎直壓應(yīng)力為2.57 MPa，最大水平壓應(yīng)力為0.77 MPa。此外，應(yīng)力在斷層和煤層位置出現(xiàn)明顯的跌落，這是由于這兩部分的巖體性質(zhì)弱于周圍的圍巖，因此，無法承受較大的應(yīng)力荷載。

圖3 原始地層豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖

2.2.2 巷道、煤層開挖后的特征

1) 巷道、煤層開挖后剪切帶特征。

從圖4可以看出: 巷道1、3、4、5周圍均出現(xiàn)明顯的剪切帶，由于這些巷道切穿了煤層，發(fā)生了剪切應(yīng)變。而巷道2周圍由于圍巖性質(zhì)較好，而且巷道寬度較窄，沒有切穿煤層，因此并沒有出現(xiàn)剪切帶。巷道周圍的剪切帶有一定的影響范圍，下面巷道的剪切帶范圍大于上面巷道，剪切應(yīng)變增量較小，在1～2 mm。

圖4 巷道開挖后剪切帶分布云圖

2) 巷道、煤層開挖后位移情況。

從圖5可以看出: 巷道開挖后，巷道圍巖發(fā)生變形，產(chǎn)生位移，圍巖豎直位移大于水平位移。豎向位移在頂板周圍為負(fù)，底板周圍為正，主要表現(xiàn)為巷道、煤層頂部下沉，巷道、煤層底部受到開挖回彈效應(yīng)出現(xiàn)向上的位移；水平位移則主要呈現(xiàn)向巷道、煤層內(nèi)部移動的趨勢。這說明巷道開挖后，原巖應(yīng)力平衡被破壞，應(yīng)力場發(fā)生重分布，巖體發(fā)生位移和變形，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖5 巷道開挖后豎向位移和水平位移云圖

從圖中可以看出: 巷道圍巖位移的變形并未波及到地表，但考慮到巖體的蠕變特性，開挖巷道后圍巖隨時間會發(fā)生蠕變變形，隨著時間的推移，圍巖的變形可能會波及到地表。

2.2.3 設(shè)置荷載后的位移特征

為了更好地模擬高速公路在正常運(yùn)營后采空區(qū)的影響，在路基上設(shè)置填土以及車輛荷載后，地層豎直和水平位移云圖如圖6所示。

圖6 路基加載后的豎直位移和水平位移云圖

從圖6中可以看出: 設(shè)置路基填土以及車輛荷載后，模型整體的位移明顯增大，最大的豎直位移為23.2 mm，而最大的水平位移很小，為0.6 mm，因此，設(shè)置荷載后，會加大對地表的影響。

2.2.4 注漿后地層的特征

巷道、煤層進(jìn)行注漿處治后，采空巷道周圍的剪切帶大部分由內(nèi)回填的漿液承擔(dān)，從而提高了巷道、煤層圍巖的穩(wěn)定性。從圖7中可以看出，原先最大的剪切帶在采空區(qū)周圍，現(xiàn)在沿?cái)鄬又車羟袔ё畲螅煽諈^(qū)周圍的剪切帶消失，并且數(shù)值明顯變小。

圖7 剪切帶分布

注漿后，采空區(qū)的圍巖變形得到有效控制。由圖8可以看出，采空區(qū)周圍的位移變得連續(xù)，并且數(shù)值明顯減小。因此，注漿處治后，采空區(qū)圍巖地層的變形得到了有效的控制。

圖8 處治后豎直位移和水平位移云圖

3 地表位移監(jiān)測與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測方法

為了更好地跟蹤地表變形情況，在本地段采用自行研發(fā)的GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測處治后地表位移變形情況。

GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如下： ①基準(zhǔn)站； ②監(jiān)測站； ③數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)； ④服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收基準(zhǔn)站及監(jiān)測站上安裝的GPS接收機(jī)經(jīng)移動GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回來的觀測數(shù)據(jù)并記錄，自動生成相應(yīng)的觀測及導(dǎo)航文件。GDMS軟件自動基線解算，計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)位移及沉降，同時還具有可視化、數(shù)據(jù)管理及分析等功能。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及分析

本次沿高速公路線路在采空區(qū)域布置了6個GPS監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時間從2013年1月26日至2014年4月20日，各GPS位移監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線圖如圖9～圖14所示。

圖9 1#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

圖10 2#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

圖11 3#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

圖12 4#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

圖13 5#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

圖14 6#監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時間曲線

從圖9～圖14可以看出: 在2013年11月27日至2014年4月20日觀測期間，所有地表監(jiān)測點(diǎn)均無明顯的沉降及位移變化；監(jiān)測點(diǎn)在部分時間段曲線出現(xiàn)小幅起伏變化是由于GPS的多路徑誤差影響造成的，因此，處治后采空區(qū)對地表變形無明顯的影響，不影響高速公路的正常運(yùn)營。

4 結(jié)論

1) 采空區(qū)作為一個不良地質(zhì)問題已日益影響高速公路建設(shè)，因此很有必要對采空區(qū)進(jìn)行研究。

2) 綜合利用FLAC3D數(shù)值模擬分析和GPS自動監(jiān)測方法是對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析的一種有效方法。

3) 通過數(shù)值模擬分析，可以看出煤層開采后采空區(qū)頂板及底板出現(xiàn)豎向位移，采空巷道周圍存在剪切帶。路基加載后，巷道和煤層附近巖體出現(xiàn)剪切帶，豎向位移增大，但對水平位移影響不大。采空巷道的變形并未波及到地表，但考慮到巖體的蠕變特性，需對采空區(qū)進(jìn)行處治。

4) 通過地表位移監(jiān)測，所有地表監(jiān)測點(diǎn)并未發(fā)生明顯的沉降與位移變化，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。通過這2種方法的綜合分析評判，為采空區(qū)的處治提供了最經(jīng)濟(jì)可行的方法。

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1008-844X(2017)03-0001-05

U 416.1

A

2016-12-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41174061, 41374120)

鄒俊華(1985-)，男，碩士研究生，目前從事巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。

朱自強(qiáng)(1964-)，男，教授，從事應(yīng)用地球物理及地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。