高速公路路基下伏小煤窑采空区稳定性分析

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(中南大学 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083)

高速公路路基下伏小煤窑采空区稳定性分析

邹俊华,韩博,朱自强,鲁光银

(中南大学 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083)

结合具体工程项目，调查了路基下伏小煤窑采空区的特征，利用FLAC3D数值模拟软件和GPS地表位移监测手段对采空区进行了综合研究。得出研究区原始地层和煤层开采后的竖向和水平向应力分布特征，围岩的塑性变形和应力重分布特征；路基加载后，模型整体位移增大，但水平位移较小；采空区的位移变形破坏并未波及至地表就已经达到了新的平衡状态，但根据岩体的蠕变特性，仍需对采空区进行处治；处治后地表位移监测结果分析与数值模拟结果相吻合，说明处治后采空区对高速公路的正常运营影响不大。

路基； 采空区； 稳定性； FLAC3D； 数值模拟； 监测

0 引言

要想富，先修路，近来我国高速公路建设已深入到偏远山区。修建时，有些线路不可避免地要经过采空区，特别是在我国一些富煤地区，浅部存在很多开采小煤窑，勘察时若未探明，采空区上覆围岩的下沉及坍塌，会引起高速公路路面开裂、错落起伏，甚至路面塌陷等大变形破坏现象[1]，这些将严重影响高速公路的建设、运营、养护和维修，构成严重的安全隐患和潜在危害[2]。

实践证明，很多工程实例因采空区问题直接影响到高速公路的建设质量和经济效益。因此，在进行高速公路建设前，必须查明采空区的分布，评价采空区的稳定性，对采空区进行及时的处治，做到防患于未然。

本文以某高速公路工程项目为例，介绍了研究区的煤层地质特征与采空区分布范围，利用FLAC3D有限差分软件对采空区进行了数值模拟分析，并且通过地表位移监测系统对路基进行了长期监测，为采空区的处治提供了技术指导。

1 工程概况

某高速公路第1合同段(研究区)下伏小煤窑采空区主要位于K2+100～K2+700段。根据勘察资料[3，4]，该路段地处构造剥蚀低山丘陵地貌，微地貌为丘陵间宽沟谷伴一小溪前展，场地200 m范围内最大山体标高约300 m，路线走廊带地形变化不大，高差约15 m余，垂直路线右侧约50 m省道320基本平行高速公路展布，场地交通条件较好。

1.1 煤层的地质特征

本区段含煤地层主要分布在石炭系下统测水组(C1dc)，局部煤系地层为石蹬子组(C1ds)。岩性主要为灰色粉砂质页岩、炭质页岩、细砂岩和煤层组成。场地岩层走向与南北向小角度相交，倾向北西(倾向265°～290°)，倾角较陡，倾角一般介于60°～75°之间，局部直立，伴有倒转现象，断裂构造较发育。区内煤层与岩层产状一致，煤层成夹层或互层形式产出，主要可开采煤层厚度0.33～1.95 m，平均厚0.95 m，煤层最小埋深约为3 m，顶板为粉砂质页岩或炭质页岩，底板为粉砂质页岩或细砂岩，属不稳定型薄煤层，似层状，为急倾斜煤层。煤层走向与路线走向夹角45°～48°。

1.2 采空区分布

根据前期勘察成果可知，煤层厚度0.33～1.95 m，采空方式主要为地下开采方式，巷道式采煤方法，巷道呈多层平硐分布，巷道断面面积约3.8～4.3 m2；设计回采工作面采用正台阶为倾斜采煤方法，爆破、手镐落煤，全部垮落法管理顶板。因此，采空区以采空巷道方式为主，该区域主要分布有6条采空巷道，具体分布情况如图1所示。采空巷道呈直线型，与省道斜交，走向约170°，宽约2 m，埋深不等，从十几米到几十米，都有一定程度的垮塌。

图1 采空区分布图

2 采空区稳定性数值模拟分析

采空区稳定性评价方法很多，所涉及的学科也是多方面的[5-9]。目前国内外广泛使用的方法有：力学分析法、经验类比法、相似模拟实验法和计算机数值模拟分析法等[10-16]。本文采用数值模拟分析法，利用有限元软件ANSYS的前处理功能建立模型，再将模型用ANSYS — FLAC接口转换成FLAC3D模型，然后利用FLAC3D后处理功能，对采空区进行数值模拟分析。

2.1 计算模型与参数

由前期勘察资料可知，采煤活动已持续数十年，集体矿山开采与民采均有，开采方式以巷道为主，分布深度由数米至70多m有多层，主要以1～2 m宽的小规模断面巷道开挖，衬砌方式以简单木支架为主，采空区现状错综复杂。为了便于研究，在建立模型时进行以下简化：

1) 因为采空区以采空巷道为主，所以将采空区开挖断面规则化，不考虑采空区洞形的影响。

2) 由于没有准确的初始地应力资料，所以只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力。

3) 建模范围为研究区地质构造较复杂的一段，与线路相交40°左右，垂直于采空巷道、断层，宽度约100 m。由于地表起伏不大，视其为水平。

4) 确定各类岩土体参数时，将岩土体按性质相似性分成若干工程地质岩组作为有限元分析中的材料类型，材料类型简化为3种，自上而下为：第四系松散土层、煤层、砂岩。所建模型如图2所示。

图2 计算模型

该区域岩土体力学参数如表1所示。根据本地区岩土体材料特性，本构模型采用弹塑性本构模型，破坏准则采用库伦-摩尔准则。体积模量K与剪切模量G可通过与弹性模量E、泊松比μ的公式进行换算：

表1 岩土体物理力学参数岩土名称弹性模量/MPa泊松比粘结力/kPa内摩擦角/(°)密度/(g·cm-3)抗拉强度/MPa煤1155025180028020001路基填土755033300018021000覆盖层900028220021020500砂岩6000022390033026821断层2000030350031025516

2.2 计算结果与分析

2.2.1 原岩应力特征

在数值计算之前，为了模拟现场的真实地应力，首先计算岩体在自重条件下的应力平衡状态，得到竖直应力云图和水平位移云图。如图3所示。

从图3可以看出: 竖直应力呈现较为明显的分层情况，应力从上到下逐渐增大，岩体大部分区域仍为压应力区，竖直压力由上到下呈逐渐增大的趋势，符合岩体自重应力场的分布规律。随着模型几何边界的上下起伏呈现相应应力的变化，最大竖直压应力为2.57 MPa，最大水平压应力为0.77 MPa。此外，应力在断层和煤层位置出现明显的跌落，这是由于这两部分的岩体性质弱于周围的围岩，因此，无法承受较大的应力荷载。

图3 原始地层竖直应力和水平应力云图

2.2.2 巷道、煤层开挖后的特征

1) 巷道、煤层开挖后剪切带特征。

从图4可以看出: 巷道1、3、4、5周围均出现明显的剪切带，由于这些巷道切穿了煤层，发生了剪切应变。而巷道2周围由于围岩性质较好，而且巷道宽度较窄，没有切穿煤层，因此并没有出现剪切带。巷道周围的剪切带有一定的影响范围，下面巷道的剪切带范围大于上面巷道，剪切应变增量较小，在1～2 mm。

图4 巷道开挖后剪切带分布云图

2) 巷道、煤层开挖后位移情况。

从图5可以看出: 巷道开挖后，巷道围岩发生变形，产生位移，围岩竖直位移大于水平位移。竖向位移在顶板周围为负，底板周围为正，主要表现为巷道、煤层顶部下沉，巷道、煤层底部受到开挖回弹效应出现向上的位移；水平位移则主要呈现向巷道、煤层内部移动的趋势。这说明巷道开挖后，原岩应力平衡被破坏，应力场发生重分布，岩体发生位移和变形，以达到新的平衡状态。

图5 巷道开挖后竖向位移和水平位移云图

从图中可以看出: 巷道围岩位移的变形并未波及到地表，但考虑到岩体的蠕变特性，开挖巷道后围岩随时间会发生蠕变变形，随着时间的推移，围岩的变形可能会波及到地表。

2.2.3 设置荷载后的位移特征

为了更好地模拟高速公路在正常运营后采空区的影响，在路基上设置填土以及车辆荷载后，地层竖直和水平位移云图如图6所示。

图6 路基加载后的竖直位移和水平位移云图

从图6中可以看出: 设置路基填土以及车辆荷载后，模型整体的位移明显增大，最大的竖直位移为23.2 mm，而最大的水平位移很小，为0.6 mm，因此，设置荷载后，会加大对地表的影响。

2.2.4 注浆后地层的特征

巷道、煤层进行注浆处治后，采空巷道周围的剪切带大部分由内回填的浆液承担，从而提高了巷道、煤层围岩的稳定性。从图7中可以看出，原先最大的剪切带在采空区周围，现在沿断层周围剪切带最大，而采空区周围的剪切带消失，并且数值明显变小。

图7 剪切带分布

注浆后，采空区的围岩变形得到有效控制。由图8可以看出，采空区周围的位移变得连续，并且数值明显减小。因此，注浆处治后，采空区围岩地层的变形得到了有效的控制。

图8 处治后竖直位移和水平位移云图

3 地表位移监测与结果分析

3.1 监测方法

为了更好地跟踪地表变形情况，在本地段采用自行研发的GPS自动监测系统，监测处治后地表位移变形情况。

GPS自动监测系统的系统组成如下： ①基准站； ②监测站； ③数据传输网络； ④服务器。服务器负责接收基准站及监测站上安装的GPS接收机经移动GPRS网络传回来的观测数据并记录，自动生成相应的观测及导航文件。GDMS软件自动基线解算，计算监测点位移及沉降，同时还具有可视化、数据管理及分析等功能。

3.2 监测数据处理及分析

本次沿高速公路线路在采空区域布置了6个GPS监测点，监测时间从2013年1月26日至2014年4月20日，各GPS位移监测点的累计位移-时间曲线图如图9～图14所示。

图9 1#监测点的累计位移-时间曲线

图10 2#监测点的累计位移-时间曲线

图11 3#监测点的累计位移-时间曲线

图12 4#监测点的累计位移-时间曲线

图13 5#监测点的累计位移-时间曲线

图14 6#监测点的累计位移-时间曲线

从图9～图14可以看出: 在2013年11月27日至2014年4月20日观测期间，所有地表监测点均无明显的沉降及位移变化；监测点在部分时间段曲线出现小幅起伏变化是由于GPS的多路径误差影响造成的，因此，处治后采空区对地表变形无明显的影响，不影响高速公路的正常运营。

4 结论

1) 采空区作为一个不良地质问题已日益影响高速公路建设，因此很有必要对采空区进行研究。

2) 综合利用FLAC3D数值模拟分析和GPS自动监测方法是对采空区稳定性进行分析的一种有效方法。

3) 通过数值模拟分析，可以看出煤层开采后采空区顶板及底板出现竖向位移，采空巷道周围存在剪切带。路基加载后，巷道和煤层附近岩体出现剪切带，竖向位移增大，但对水平位移影响不大。采空巷道的变形并未波及到地表，但考虑到岩体的蠕变特性，需对采空区进行处治。

4) 通过地表位移监测，所有地表监测点并未发生明显的沉降与位移变化，与数值模拟结果相吻合。通过这2种方法的综合分析评判，为采空区的处治提供了最经济可行的方法。

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

U 416.1

A

2016-12-01

国家自然科学基金资助项目(41174061, 41374120)

邹俊华(1985-)，男，硕士研究生，目前从事岩土工程及地质灾害方面的研究。

朱自强(1964-)，男，教授，从事应用地球物理及地质灾害方面的研究。