车辆载重对煤矿采空区残余下沉系数的影响

马世龙 李俊宝

摘 要：本文以焦作某采空区地层结构特征为例，采用数值模拟方法，分析不同车辆载重对采空区路面再沉降值的影响。然后根据不同车辆载重下路面最大沉降值计算该采空区残余下沉系数，进而拟合出车辆载重与残余下沉系数之间的关系曲线。本文分析结果对煤矿采空区残余变形值的预计及载重车辆采空区安全行驶具有重要的指导意义。

关键词：煤矿采空区;残余下沉系数;车辆荷载;数值模拟

中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）34-0086-04

Analysis of the Residual Subsidence Factor under Vehicle

Loads in Mine Subsidence Area

MA Shilong LI Junbao

（Henan College of Surveying and Mapping，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： Taking the stratum structure characteristics of a goaf in Jiaozuo as an example， this paper analyzed the influence of different vehicle loads on the re-settlement value of goaf pavement by using numerical simulation method. Then the residual subsidence coefficient of the goaf was calculated according to the maximum settlement value of the pavement under different vehicle loads， and then the relationship curve between vehicle load and residual settlement coefficient was fitted. The analysis results of this paper have important guiding significance for the prediction of residual deformation value of coal mine goaf and safe driving of heavy vehicles in goaf.

Keywords： coal-mining area;residual subsidence factor;vehicle load; numerical simulation methods

煤矿采空区在我国分布较为广阔。据统计，我国每年因开采造成地表沉降近100 km2[1]。由于高等级公路具有线路长、跨度大、占地面积多等特点，所以高等级公路建设很难避开煤矿采空区，有时需要修建在采空区之上。受煤层开采的影响，采空区内的上覆岩层在自身重力作用下发生断裂和变形，受损的岩体经过一段时间相互挤压，暂时处于平衡和稳定状态。然而，煤层上覆岩层中离层、空隙、欠压实以及裂缝中饱和水等引发岩层失稳的不安全因素仍一直存在[2]。车辆经过采空区上方的公路，对矿区路面产生动荷载，并以附加应力和振动波的形式由上而下持续向采动岩体传递，使原本已处于稳定状态下的岩层受到车辆荷载影响而再次发生失稳和变形，继而引起路面再下沉，而再沉降值的大小则直接影响车辆行驶安全。因此，做好车辆荷载作用下采空区路基残余下沉系数分析，对煤矿采空区残余变形值的预计以及路面稳定性的综合评价具有重要的理论价值和指导意义。

1 煤矿采空区残余下沉系数的推导

根据煤层开采极限下沉预测模型可知[3-4]：如果煤层上覆岩层中存在的裂隙、空隙、离层和裂缝等能全部闭合，那么采空区地面的最大下沉值理论上应接近于煤层开采厚度。此情况下采空区地表最终下沉系数近似为1，残余下沉系數[q′]的计算公式为：

[q′=1-q0]                            （1）

式中，[q0]为初次开采结束后地表实际下沉系数。但实际上，由于冒落带岩体之间具有碎胀性、弯曲带中离层、裂隙带中缝隙以及煤层开采面积一般小于地表实际下沉面积，在外界荷载的扰动下，岩层重新稳定后地表总下沉值并不能达到煤层实际开采厚度，而是小于煤层开采厚度。如果采空区岩层初次稳定后地表下沉值为[w0]，在车辆荷载影响下，岩层再次稳定后地表的最大下沉值为[ws]，那么车辆荷载对采空区路面产生的再沉降值为：

[w′=ws-w0]                            （2）

则外界荷载影响下的地表残余下沉系数[q′]为：

[q′=w′mcosα=ws-w0mcosα]                       （3）

目前，国内外主要通过室内相似材料试验或计算机数值建模的方法来推导解算地表残余下沉系数。公路经过煤矿采空区，在车辆荷载影响下，岩层将再次发生变形，车辆载重不同，采空区路基再沉降值也不相同。本文采用数值模拟方法，以焦作某采空区地层结构特征为例，分析不同车辆载重下采空区路面的残余下沉系数。