上覆公路浅埋采空区群稳定性数值模拟

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.505

上覆公路浅埋采空区群稳定性数值模拟

杨仕教^,¹, 王志会²

1. 南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421001

2. 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083

Numerical Simulation on Stability of Shallow-buried Goaf Group with Overlying Highway

YANG Shijiao^,¹, WANG Zhihui²

1. School of Nuclear Resources Engineering，University of South China，Hengyang 421001，Hunan，China

2. School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

收稿日期: 2018-05-22 修回日期: 2019-04-12 网络出版日期: 2019-08-08

基金资助:

国家自然科学基金项目“基于Multi-Agent的地下铀矿山安全系统动态协调机制设计与群体智能化控制”. 51174116

Received: 2018-05-22 Revised: 2019-04-12 Online: 2019-08-08

作者简介 About authors

杨仕教（1964-），男，湖南浏阳人，教授，从事采矿工程研究工作cute1088@sina.com , E-mail：cute1088@sina.com

摘要

某采石场开采形成了浅埋采空区群，且空区群上覆有一条县级公路。为确保上覆公路和采石场的安全运行，对采空区和上覆公路的稳定性进行了综合分析。首先，对采空区现状、工程地质和水文地质进行了调查；通过开展现场点荷载试验和室内岩石力学试验，获得了围岩的基本力学参数；随后，采用Heok-Brown准则及其强度参数的估计法，将岩石力学参数转化为岩体力学参数；接着，基于转换的力学参数，利用FLAC^3D数值模拟软件对采空区和上覆公路进行了模拟分析，并探讨了采空区及行车荷载对上覆公路的影响。研究结果表明：采空区处于稳定状态，对上覆公路影响较小；公路总体稳定，但公路与采空区的相对空间位置引起的地表不均匀沉降带来的局部离层对于公路有一定的危害。根据分析结果，建议充填4#采空区以降低采空区暴露面积，减少采空区分布的不均匀性以减少对公路离层区的影响，对于公路的局部离层区可采取注浆加固。

关键词： 浅埋采空区群 ; 岩石力学参数 ; 稳定性 ; 数值模拟 ; 地表沉陷 ; 公路离层

Abstract

After more than ten years of underground mining in a quarry in Liuyang City, a gob group was formed by four irregular goafs, and the gobs were close to the surface with a running county-level Jiuxi highway.In order to develop the next-stage mining plan and ensure the safe operation of the above-mentioned roads and the quarry, it is necessary to comprehensively analyze and judge the stability of the goaf group and the overlying road.Field surveys about occurrence condition of goafs, hydrogeology survey as well as engineering geometry survey were performed.On-site point sample loading experiments and indoor rock mechanics experiments were made and basic mechanical parameters of surrounding rock were obtained and then the chart of the discrete strength parameters of the rock was used to analysis the quality of rock mass.After that,the required strength parameters for numerical analysis were calculated out with the method of Hoek-Brown principle as well as some amendments of related strength parameters.Then, numerical model about shallow buried connected goaf groups of the quarry formed after mining as well as highway on topsoil over the goaf group was built to evaluate the stability of goafs and highway so as to bring forward corresponding measures.After the initial geo-stress simulation and the formation of the goafs, in order to explore the impact of the driving load on the goaf, the driving load is applied to the road surface in the form of normal pressure, and then calculated to balance.Comprehensive evaluations on stability of goafs show that goafs are basically in stable condition and the goafs have little influence on overlying highway.The results also indicate that the highway is generally stable with partial separation of layers.Due to the spatial distribution characteristics of the goafs, the subsidence curvature caused by the uneven settlement and the local separation of road layers are harmful to the highway.The distribution of separation zone presents the characteristics of overall dispersion and local concentration, that is, unevenly distributed local strip-shaped separation zone. To ensure the safety of goaf and healthy running of highway,disposal measures for goafs and the road were proposed.Overall, the relative spatial position of the highway and the goafs and the surface topography of the surface play a major role in controlling the damage form of the highway.To ensure the safety of the road and avoid the activation of the goafs.Finally, it is recommended to backfill the 4# goaf to reduce the non-uniformity of spatial distribution and reinforce the separation part of the road by local grouting.

Keywords： shallow buried goaf group ; rock mechanics parameters ; stability ; numerical simulation ; surface subsidence ; highway abscission

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本文引用格式

杨仕教, 王志会. 上覆公路浅埋采空区群稳定性数值模拟[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 505-512 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.505

YANG Shijiao, WANG Zhihui. Numerical Simulation on Stability of Shallow-buried Goaf Group with Overlying Highway[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(4): 505-512 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.505

浏阳市某采石场经过数年的地下开采，形成了由数个采空区形成的采空区群，部分采空区距离地表较近。同时，地表有正在运行的县际九溪公路。为了制定矿山下—步开采计划和保障上方公路安全运行，需要对采空区群和上覆公路的稳定性进行综合分析和评判。

采空区的形成会破坏原有围岩的应力平衡^[1,2,3]，在应力重分布过程中会引起围岩变形和地表沉降^[4,5,6]，对周围采场和地表构筑物的安全产生影响^[7,8,9]；在采空区群形成后，围岩应力和应变会产生复杂的时空非线性叠加^[10,11,12]，使得其稳定性分析不同于单个采空区。对于上覆公路的采空区群而言，公路荷载的存在会使得采空区的应力应变情况进一步复杂化，甚至引起采空区覆岩的二次活化^[13]，保证资源利用和地表建筑物的安全是此类工程的要求^[14]。在采空区上部建（构）筑物分析方面，学者们从采空区稳定性出发，开展了地表沉陷预测及其对建筑物的危害评判，童立元等^{[15,16,17,18]}分析了采空区与上覆公路相互作用机制、危害判别准则，总结了相应的治理措施；孙琦等^[19]分析了浅埋煤矿采空区在公路动荷载和水耦合条件下对路基稳定性的影响；张普纲^[20]利用数值模拟提出优化高速公路下采空区治理的方案；赵斌臣等^[21]利用数值模拟分析了采空区上高等级公路变形历程和非均匀沉降；规范方面，有采空区上新建公路的指导规范^[22]。

现有研究大多针对煤矿和高速公路，在复杂地形条件和采空区群赋存较不规则的条件下采空区与较低等级公路相互作用的研究有待丰富。本文基于实际矿山工程，利用FLAC^3D软件模拟采石场采空区群和上覆公路稳定性情况，得出采空区和公路整体稳定、沉陷不均及局部离层的结论，针对性地提出了充填4#采空区的建议。

1 工程概况

采石场位于浏阳市城区西直线距离约16 km处，区域地貌为剥蚀丘陵，地形坡度在25°～35°之间。九溪公路从空区2上方及空区1与空区2交界处上方通过，空区顶板距离地表厚度为30～80 m。该矿山采用房柱式开采，生产规模为3×10⁴ t。

根据采空区的实际分布状况，进行了采空区测点布置，采空区分布及测点编号见图1。

图1

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图1 采空区平面图

Fig.1 Plane figure of goaf group

应用测距仪和地质罗盘进行采空区和矿柱测量，统计分析获得采空区的规模和基本参数见表1。采空区与地表公路空间位置关系见图2。

表1 采空区基本情况

Table 1 Basic situation of goaf group

采空区编号	采宽/m	采宽超幅/m	采长/m	空区面积/m²	采高/m	采高超幅/m	空区体积/m³	空区顶板距地表高度/m	是否采完
总计				4 520			44 120
空区1	14	4	100	1 400	13	3	18 200	40	是
空区2	10	/	200	2 000	8	/	16 000	80	否
空区3	8	/	40	320	6	/	1 920	85	是
空区4	10	/	80	800	10	/	8 000	90	否

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图2

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图2 采空区与地表公路空间位置图

Fig.2 Spacial location map of goaf group and overlying highway

2 模拟参数

2.1 围岩物理力学参数

经现场调查，计算得到该矿山的石灰岩RQD=87.91、RMR=62、Q=115，质量等级为Ⅱ级，工程岩体岩石质量评价为良好岩体。

现场进行了岩石的点荷载试验，并对点荷载试验所得到的成果进行了统计分析（表2）。进行了单轴抗压强度和三轴岩石力学室内试验，得到了岩石的基本物理参数（表3）。

表2 岩石力学强度参数离散性分析结果

Table 2 Discrete analysis results of rock mechanics strength parameters

统计项目	Is/MPa	Is(50）/MPa	R_C/MPa	R_t/MPa	C/MPa	Φ/（°）	E/MPa	v
统计总数	12	12	12	12	12	12	12	12
最大值	3.893	4.308	71.148	3.352	25.655	20.17	71 403.834	0.134
最小值	1.061	1.452	32.049	1.321	11.384	19.88	57 707.332	0.133
平均值	2.174	2.732	50.310	2.252	18.037	20.03	63 844.740	0.134
标准值	1.677	2.206	43.073	1.876	15.396	19.976	61 321.641	0.134
标准差	0.946	1.003	13.801	0.715	5.036	0.11	4 811.507	0.000
变异系数	0.435	0.367	0.274	0.318	0.279	0.01	0.075	0.003
统计修正系数	0.772	0.807	0.856	0.833	0.854	1.00	0.960	0.999

注：Is为非标准试件的点荷载强度指数;Is(50）为直径50 mm标准试件的点荷载强度指数；R_C为岩石单轴抗压强度;R_t为抗拉强度;C为黏聚力;Φ为内摩擦角;E为弹性模量;v为泊松比

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表3 室内岩石力学试验强度参数离散性统计

Table 3 Discrete statistics of strength parameters in

统计项目	ρ/（kN·m^-3）	R_C/MPa	R_t/MPa	E/MPa	v
统计总数	5	5	5	5	5
最大值	27.570	77.795	4.228	25.07	0.283
最小值	27.150	24.574	3.418	2.77	0.141
平均值	27.448	53.629	3.770	16.95	0.172
标准值	27.284	33.860	3.465	8.519	0.113
标准差	0.173	20.827	0.322	8.88	0.062
变异系数	0.006	0.388	0.085	0.52	0.362
统计修正系数	0.994	0.631	0.919	0.50	0.657

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根据现场工程地质调查，计算得到石灰岩的地质强度指标(GSI)值为GSI=57，采用Heok-Brown准则及其强度参数的估计法，得到该矿山的岩体力学强度参数见表4。

表4 岩体力学强度参数

Table 4 Mechanical strength parameters of rock mass

参数	数值	参数	数值
抗压强度/MPa	4.835	摩擦角/（^o）	34.15
抗拉强度/MPa	0.215	弹性模量/GPa	10.954
黏聚力/MPa	3.145

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2.2 公路参数及荷载

采空区上覆公路为三级普通混凝土公路，面层厚度为0.2 m，基层厚度为0.6 m，垫层厚度为1 m，路面设计基准期为20年。由于地形较为复杂，设计车速为30 km/h，安全等级为四级，变异水平等级为中—高级，考虑偏载、动载等因素下路面疲劳损坏的综合系数为1.10。

文献[23]指出动荷载较之静荷载会增加路基结构的应力应变，但增幅不大，采用均布面荷载简化。根据规范，荷载水平取汽车—20级标准荷载，模拟不利的情况，考虑综合系数后的行车荷载为12 kN/m²。最终各网格组参数列于表5。

表5 网格组计算参数

Table 5 Calculating parameters of mesh sets

网格组	本构模型	弹性模量E	泊松比	容重/(kN·m^-3)	内聚力/(kN·m^-2)	摩擦角/(°)
面层	摩尔库伦	1 GPa	0.3	22	60	35
基层	摩尔库伦	500 MPa	0.25	21	45	30
垫层	摩尔库伦	200 MPa	0.3	20	30	25
表土	摩尔库伦	28 MPa	0.3	19	17	22
矿石及围岩	摩尔库伦	10.95 GPa	0.45	27.2	3 145	34.2

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3 模拟结果

3.1 地表沉陷与采空区顶板下沉分析

（1）地表沉陷分析。图3显示地表多数区域沉陷不足1 mm，最大沉陷量为1.49 mm。地表沉陷较大的区域分布在1#与2#采空区之间的矿柱附近，1#采空区正上方的公路，4#采空区及其周围矿柱正上方。在公路中段出现一个沉降中心区，沉降最大值即发生在此区域，该中心正下方是1#采空区，同时也压覆了1#与2#采空区之间的局部矿柱。从公路横向看，该沉降中心偏向2#、3#和4#采空区形成的采空区群。

图3

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图3 地表沉陷云图

Fig.3 Contour of surface subsidence

（2）公路荷载对地表沉陷的影响分析。在经历初始应力模拟、采空区形成模拟后，为探究行车荷载对采空区的影响，将第2.2小节选取的行车荷载以法向压力的形式施加于路面，随后计算至模型平衡。

对比公路行车荷载施加前后顶板沉陷分析结果（图3和图4），路面荷载施加后顶板沉陷的增加量普遍小于0.1 mm，且未改变整体位移分布。同样，采空区的形成并未对公路产生异于其他地表部分的沉陷增量，即采空区的形成不会对公路沉陷有较大影响。

图4

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图4 采空区引起的地表沉陷云图

Fig.4 Contour of surface subsidence caused by goaf group

（3）采空区顶板下沉分析。图5显示4#采空区顶板下沉量最大，最大值达4.846 mm，大部分下沉超过2 mm，主要是4#采空区顶板中部大面积无矿柱支承，且其与2#采空区连接矿柱较薄；1#采空区顶板下沉最大值为1.5 mm；3#采空区和2#采空区贯通，在连通部分达到最大下沉量2.5 mm；2#采空区顶板沉陷相对较小。

图5

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图5 顶板沉陷云图

Fig.5 Contour of roof subsidence

3.2 采空区应力场分析

图6显示4#采空区顶板中央部分出现拉破坏，其他采空区未见拉破坏，在公路路面施加荷载后破坏区有小面积增加，但影响很小。

图6

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图6 顶板最大主应力云图

Fig.6 Contour of maximum principal stress of uprock

(a)面荷载施加前顶板最大主应力；(b)面荷载施加后顶板最大主应力

图7显示矿柱中上部的尖角矿柱处有拉压力集中，此外，在1#与2#采空区、3#与4#采空区之间的薄弱矿柱处也出现拉压力集中，其中有少部分区域拉应力超过围岩抗拉强度。

图7

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图7 矿柱中等高度最大主应力云图

Fig.7 Contour of maximum principal stress in medium height of pillar

3.3 公路路面离层分析

实际观察发现地表公路面层出现离层现象，部分区域面层与基层脱离，为模拟离层破坏，在面层与基层之间设置接触面。

模拟结果表明，在数值计算过程中，离层首先出现在道路边缘，随后出现在路线中央。离层区分布呈现出整体较为分散，局部集中的特点；整体而言形成不均匀分布的局部条带状离层区域，如图8所示。

图8

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图8 公路离层区域

Fig.8 Abscission region of highway

从离层区域与采空区的相对空间位置来看，大部分道路边缘离层区域出现在靠近大面积采空区一侧，1#采空区部分在路线正下方，2#、3#和4#采空区在路线右侧；从地表地形来看，中央离层区域主要发生在公路上坡路段与洼地，而在较平坦的路段上离层区域分布密度很小。采空区群在路线两侧的不均匀分布导致了路面沉降的不均匀，同时上坡和洼地路段的公路的受力条件较之平坦路段较为不利，再加上采用的是均布面荷载代替公路荷载，而实际荷载多较集中地分布在靠近路线边缘侧，导致了路面的离层分布出现线条式集中和局部点片式离层特点。

4 结论

（1）采空区对于地表公路破坏有限，仅在4#采空区顶板及矿柱拐角处存在拉破坏。

（2）地表地形对采空区和公路稳定性的影响较大，采空区引起的不均匀沉降带来的沉陷曲率改变和局部离层对于公路的危害较大，并且采空区引起的地面沉降是一个长期的过程，其次生危害较严重，可对离层部分注浆加固。路面大荷载对于公路的影响是直接的，也可能引起采空区的二次活化，应尽量避免。

（3）综合公路路基沉陷与公路离层分析可知，公路与采空区的相对空间位置及公路路段所处的地表地形对公路的破坏形式起着主要控制作用，建议充填4#采空区。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

邓红卫,杨懿全,邓畯仁，等 .

采空区下方高应力环境下深部矿体回采时序研究

[J].黄金科学技术,2017,25(2):62-69.