車輛載重對煤礦采空區(qū)殘余下沉系數(shù)的影響

馬世龍 李俊寶

摘 要：本文以焦作某采空區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征為例，采用數(shù)值模擬方法，分析不同車輛載重對采空區(qū)路面再沉降值的影響。然后根據(jù)不同車輛載重下路面最大沉降值計(jì)算該采空區(qū)殘余下沉系數(shù)，進(jìn)而擬合出車輛載重與殘余下沉系數(shù)之間的關(guān)系曲線。本文分析結(jié)果對煤礦采空區(qū)殘余變形值的預(yù)計(jì)及載重車輛采空區(qū)安全行駛具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);殘余下沉系數(shù);車輛荷載;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD325文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

煤礦采空區(qū)在我國分布較為廣闊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因開采造成地表沉降近100 km2[1]。由于高等級公路具有線路長、跨度大、占地面積多等特點(diǎn)，所以高等級公路建設(shè)很難避開煤礦采空區(qū)，有時(shí)需要修建在采空區(qū)之上。受煤層開采的影響，采空區(qū)內(nèi)的上覆巖層在自身重力作用下發(fā)生斷裂和變形，受損的巖體經(jīng)過一段時(shí)間相互擠壓，暫時(shí)處于平衡和穩(wěn)定狀態(tài)。然而，煤層上覆巖層中離層、空隙、欠壓實(shí)以及裂縫中飽和水等引發(fā)巖層失穩(wěn)的不安全因素仍一直存在[2]。車輛經(jīng)過采空區(qū)上方的公路，對礦區(qū)路面產(chǎn)生動(dòng)荷載，并以附加應(yīng)力和振動(dòng)波的形式由上而下持續(xù)向采動(dòng)巖體傳遞，使原本已處于穩(wěn)定狀態(tài)下的巖層受到車輛荷載影響而再次發(fā)生失穩(wěn)和變形，繼而引起路面再下沉，而再沉降值的大小則直接影響車輛行駛安全。因此，做好車輛荷載作用下采空區(qū)路基殘余下沉系數(shù)分析，對煤礦采空區(qū)殘余變形值的預(yù)計(jì)以及路面穩(wěn)定性的綜合評價(jià)具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 煤礦采空區(qū)殘余下沉系數(shù)的推導(dǎo)

根據(jù)煤層開采極限下沉預(yù)測模型可知[3-4]：如果煤層上覆巖層中存在的裂隙、空隙、離層和裂縫等能全部閉合，那么采空區(qū)地面的最大下沉值理論上應(yīng)接近于煤層開采厚度。此情況下采空區(qū)地表最終下沉系數(shù)近似為1，殘余下沉系數(shù)[q′]的計(jì)算公式為：

[q′=1-q0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[q0]為初次開采結(jié)束后地表實(shí)際下沉系數(shù)。但實(shí)際上，由于冒落帶巖體之間具有碎脹性、彎曲帶中離層、裂隙帶中縫隙以及煤層開采面積一般小于地表實(shí)際下沉面積，在外界荷載的擾動(dòng)下，巖層重新穩(wěn)定后地表總下沉值并不能達(dá)到煤層實(shí)際開采厚度，而是小于煤層開采厚度。如果采空區(qū)巖層初次穩(wěn)定后地表下沉值為[w0]，在車輛荷載影響下，巖層再次穩(wěn)定后地表的最大下沉值為[ws]，那么車輛荷載對采空區(qū)路面產(chǎn)生的再沉降值為：

[w′=ws-w0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

則外界荷載影響下的地表殘余下沉系數(shù)[q′]為：

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

目前，國內(nèi)外主要通過室內(nèi)相似材料試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)數(shù)值建模的方法來推導(dǎo)解算地表殘余下沉系數(shù)。公路經(jīng)過煤礦采空區(qū)，在車輛荷載影響下，巖層將再次發(fā)生變形，車輛載重不同，采空區(qū)路基再沉降值也不相同。本文采用數(shù)值模擬方法，以焦作某采空區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征為例，分析不同車輛載重下采空區(qū)路面的殘余下沉系數(shù)。