南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究.pdf

分类号一 U D C 注1 密级 南宦理二大学 N A N J I N GU N I V E R S I T YO FS C I E N C E 丁E C H N 0 } ．0 G y 硕士专业学位论文 南官庄煤矿采空区稳定性分析 及加固方法研究 题名和副题名 刘鹏飞 作者姓名 指导敦黜工耍劐耋选 金兰熊高丝墨堡监 学位类别 专业名称 研究方向 论文提交时间 工程硕士 建筑与土木工程 结构工程 2 0 1 7 年1 2 月 注l 注明国际十进分类法U D C 的类号。 7，⋯2洲0㈣0川8㈣6 ⋯3ⅢY 万方数据 J I I I I I I II l ll lI II III I I II I J Y 3 6 8 0 0 2 7 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名塑旦堕卫 为谚年，月夕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 驯g 年／月罗日 万方数据 工程硕士学位论文 南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究 摘要 本论文以巩义市南官庄煤矿采空区对巩义境内 焦铜高速至小訾殿 改建工程的影 响为研究背景，经过对沿线扩建高速公路沿线煤矿矿区的区域地质概况以及工程地质概 况的背景分析，得出缓倾斜煤矿层围岩移动以及其变形规律，采取经验公式计算方法和 G T S 数值模拟方法对围岩和地表的移动与变形规律进行对比研究，根据以上相关基础上 分析煤矿采空区对高速公路改扩建工程的影响以以及注浆后路基稳定性问题，研究主要 得出以下相关结论 根据应力云图模拟结果可以得出煤层采出之后，煤矿采空区两端端部与煤柱两端端 部产生了较为明显的应力集中现象，采空区的破坏主要以剪切破坏为主高速公路修筑 过后，在长久附加荷载作用下，采空区区域临近的煤柱在荷载作用下会产生失稳，产生 附加沉降，使剩余变形加速。 通过对采空区治理原则和相关标准规范进行分析，并对采空区通用的治理方法的优 缺点和适应特点进行综合比选，最终确定注浆法为最终治理措施，并采用G T S 数值模 拟方法对注浆后围岩的应力和应变特征和效果进行对比研究，云图计算结果显示，注浆 前后地表变形量对比产生很大变化，注浆后地表位移量沉降量显著减小，煤层采空区在 注浆治理过后。在物理力学性质方面，注浆后围岩的物理力学性质获得了跨度的提升， 煤层采空区应力集中范围显著降低，地表路基变形量明显下降。因此，注浆治理后，较 大的增强了煤层采空区的地基承载力和稳定性，能够强效预防道路开裂、不均匀沉降等 道路病害，确保公路工程的长久安全运营，达到了较为理想的治理效果。 关键词巩义市南官庄，高速公路，采空区稳定性，注浆数值模拟 万方数据 工程硕士学位论文 A b s t r a c t T h i s p a p e rt a k e sG o n g G a n gN a n G u a n Z h u a n gc o a l m i n e d - o u ta r e ao fG o n g y i J i a o T o n g Z h u ot oX i a o d i a nD i a n r e c o n s t r u c t i o np r o j e c ta st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，c o n d u c t s a no v e r v i e wb a c k g r o u n da n a l y s i sa l o n gt h ee x t e n s i o no ft h eh i g h w a ya l o n gt h ec o a lm i n ea r e a o fg e o l o g i c a lo v e r v i e wa n de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，a n di tc o n c l u d e st h el a wo f s u r r o u n d i n gr o c km o v e m e n ta n di t sd e f o r m a t i o ni ng e n t l yi n c l i n e dc o a ls e a m ．B yu s i n g e m p i r i c a lf o r m u l ac a l c u l a t i o nm e l l I o da n dG T Sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h el a wo f m o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds u r f a c ea r ec o m p a r e d ．A c c o r d i n gt ot h e a b o v ec o n c i s i o na n a l y s i s ，t h ei m p a c to ft h ed i s t r i c to nt h eh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o na n d e x p a n s i o np r o j e c ta n dt h es t a b i l i t yo fs u b g r a d ea f t e rg r o u t i n g ，t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h e s t u d ya r ea sf o l l o w s A c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e s sc l o u ds i m u l a t i o n ，i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o no c c u r sa tb o t he n d so ft h ec o a lm i n e da r e aa n db o t he n d so fc o a l p i l l a ra f t e rc o a lm i n i n g ．T h ef a i l u 他o ft h eg o ba r e ai sd o m i n a t e db ys h e a rf a i l u r e ．A f t e rt h e c o n s t r u c t i o no ft h ee x p r e s s w a y , u n d e rt h ea c t i o no fl o n g - t e r ma d d i t i o n a ll o a d ，c o a lp i l l a r s a d j a c e n tt ot h eg o ba r e a w i l lb eu n s t a b l eu n d e rl o a da n dg e n e r a t ea d d i t i o n a ls e t t l e m e n t , w h i c h w i l la c c e l e r a t et h er e s i d u a ld e f o r m a t i o n ． B a s e do nt h ea n a l y s i so fg o ba r e ag o v e m a n c ep r i n c i p l e sa n dr e l e v a n ts t a n d a r d sa n d n o r m s ，t h ec o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n d t h ea d a p t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m m o ng o v e m e n tm a n a g e m e n tm e t h o d s ，t h ef i n a l g r o u t i n gm e t h o di sf i n a l l yd e t e r m i n e da n dt h eG T Sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e dt o c o m p a r et h es t r e s sa n ds t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c t so f t h es u r r o u n d i n gr o c ka f t e rg r o u t i n g ． C l o u dc o m p u t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c ed e f o r m a t i o nb e f o r ea n da f t e rg r o u t i n g e x p e r i e n c e sg r e a tc h a n g e s ，a n dt h es u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n ds e t t l e m e n ta f t e rg r o u t i n ga r e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ．I nt e r m so fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c ka f t e r g r o u t i n gi n c r e a s e d ，a n d t h es t r e s s c o n c e n t r a t i o ns c o p eo fc o a lm i n i n gg o a fw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，a n dt h es u r f a c er o a d b e d d e f o r m a t i o nd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ．T h e r e f o r e ，g r o u t i n gt r e a t m e n tg r e a t l ye n h a n c e st h e f o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o a lm i n e da r e a ．I tc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n t r o a dc r a c k i n g , u n e v e ns e t t l e m e n ta n do t h e rr o a dd i s e a s e st oe n s u r et h el o n g - t e r ms a f e o p e r a t i o no f h i g h w a yp r o j e c t sS Oa st oa c h i e v eam o r ei d e a lg o v e r n i n ge f f e c t ． K e yw o r d s N a nG u a n z h u a n g ，F r e e w a y , G o ba r e a , S t a b i l i t y , G r o u t i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ． Ⅱ 万方数据 工程硕士学位论文南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ A b s t r a c t ⋯⋯． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯l I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的背景与意见⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．1 国外研究现状以及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 国内研究现状以及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 2 ．1 南官庄煤矿区区位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 地形地貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 气象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．3 水文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 区域地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．1 地层岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1O 2 ．3 ．2 煤系地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．3 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 南官庄煤矿工程地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．4 ．2 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3 南官庄煤矿区塌陷机理和变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 8 3 ．1 采空区路基稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．1 力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 8 3 ．1 ．2 计算范围的确定以及参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．3 有限元网格的划分以及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 8 3 ．1 ．4 岩体失稳的判断标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l8 3 ．2 煤矿采空区塌陷以及冒落机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．3 煤矿采空区区上覆岩层移动破坏的基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l l l l 万方数据 目录工程硕士学位论文 3 ．4 煤矿采空区地表移动和变形规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．5 研究区的地表破坏形式以及特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 南官庄煤矿采空区稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 5 4 ．1 依据南官庄煤矿采深采厚比进行稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．2 依据地表剩余移动变形值进行稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 ．1 采空区最大下沉值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．2 ．2 采空区地表最大倾斜值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．3 采空区地表最大曲率值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．4 采空区地表最大水平位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．5 采空区地表最大水平变形值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 4 ．3 研究区路基桥梁的稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 南官庄煤矿采空区稳定性的数值模拟与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．1M i d a s ／G T S 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 5 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．2 ．1 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 5 ．2 ．2 物理力学参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 l 5 ．3 煤矿采空区数值模拟开挖过程数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 5 ．3 ．1 煤矿开采形成采空区过程应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 5 ．3 ．2 煤矿开采形成采空区过程位移规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 5 ．4 公路荷载长期作用下煤矿采空区稳定性数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．4 ．1 路基填筑过程采空区应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 5 ．4 ．2 采空区域路基充填过程的位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 6 南官庄采空区对公路工程的影响以及治理方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．1 南官庄煤矿采空塌陷区对公路工程影响的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．2 南官庄煤矿采空区治理方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．2 ．1 采空区治理原则以及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 6 ．2 ．2 煤矿采空区治理方法选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 6 ．2 ．3 煤矿采空区注浆工程数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 6 ．3 质量控制与检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 7 南官庄煤矿采空区注浆加固工程应用实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 7 ．1 南官庄煤矿采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 l V 万方数据 工程硕士学位论文南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究 7 ．2 该采空区稳定性评价以及其注浆选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 7 ．3 注浆方面的处理技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 7 ．3 ．1 注浆孔钻探工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 7 ．3 ．2 注浆以及施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 7 ．3 ．3 注浆参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 7 ．3 ．4 综合注浆效果分析与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 7 ．4 仍存在的问题以及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 7 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 8 室占论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 l 8 ．1 结j 沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 9 什录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 V 万方数据 工程硕士学位论文南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究 1 绪论 1 ．1 选题的背景与意见 伴随我们国家国民经济的持续繁荣发展和对基础设施完善的强烈诉求，以高速公路 为代表的基础设施建设得到跨越式发展，尤其是中部崛起战略蓝图的实施，高速公路修 建如雨后春笋般涌现出来，但因此引发的煤矿采空区工程地质问题也随之逐步增加。因 为高速公路修建场地的需要，常常没法规避下伏煤矿采空区的工程地质相关问题。基于 上述分析，准确地研究和分析煤矿采空区对公路修建工程的稳定性影响，使高速公路修 建工程更加切合安全性、合理性的原则，是非常必要的。 本研究项目G 3 1 0 隶属郑州市巩义境 焦一桐高速至回郭镇小訾殿 段改扩建工程道 路起点始于规划G 3 1 0 线焦桐高速公路东侧，终点位于回郭镇小訾殿西侧，连接刚修建 成的新国道G 3 1 0 。由于目前该区道路技术标准不统一，而且部分路段技术标准较低； 道路交通流量也较大，重载车辆、超载车辆占比很大；现状公路路面的结构强度很低、 路面损伤较为严重；路线所经过地区城镇化较为明显，对交通运输和过境交通都产生很 多负面影响，严重迟滞了巩义市的社会经济发展。因此，G 3 1 0 巩义境 焦一桐高速至回 郭镇小訾殿 段高速公路改造工程迫切需要实施。G 3 1 0 巩义境小訾殿段改建工程线路 起点位于K 0 1 4 7 ．5 对应I 可起点桩号K 1 2 0 3 0 0 处，线路向西在K O 5 2 7 ．5 - K o 6 9 6 对应I 可K 1 2 0 6 8 0 - - K 1 2 0 8 4 8 ．5 区间，路基处于南官庄煤矿区东部的老窑采空区 内，线路向西在K 0 6 9 6 _ K 1 0 5 5 对应I 可K 1 2 0 8 4 8 ．5 - - K 1 2 1 2 0 7 ．5 区间，主线上 跨焦桐高速以及 2 3 7 新编号 2 3 5 ，该区间全部处于南官庄煤矿区内，由于地面塌 陷距今时间较长以及人类工程活动强烈，评价范围内地面塌陷以及塌陷地裂缝等地面变 形形迹已不明显。为了保证改建工程中大桥和互通立交路基的运营安全，依据提供的勘 察数据和所收集附近的资料，就该煤矿采空区对改建大桥和互通立交路基路面的影响以 及其影响程度采取了针对性研究和分析，并在此研究基础上，提出科学的治理方案。由 于修筑的高速公路路段全部处于南官庄煤矿区内，该煤矿区一带新老采空区分布广泛， 采空区的沉降变形和可能发生的突发性沉降对大桥和互通立交的安全构成了重大隐患。 为彻底消除其安全隐患、确保大桥和互通立交长期处于一个安全稳定的运营环境，有必 要对煤层采空区对上方路基和路面影响程度进行评价，并采取相对应的治理和处置方 案。 建国五十年来，特别是改革开放以来，巩义市煤炭资源开发利用得到迅猛的发展， 目前矿业在郑州市工业生产总值中占有重要比重，已成为巩义市的支柱产业之一。截止 2 0 0 0 年现有数据统计，在已发现的2 1 种矿产中，己开发利用的有9 种 不含地下水 。 巩义市现有煤炭采矿企业5 1 个，从业人数1 1 3 8 7 人，2 0 0 0 年产原煤2 1 2 ．3 3 万吨，设计 l 万方数据 1 绪论 工程硕士学位论文 生产能力为3 9 2 万吨／年，实现生产能力为2 6 7 万吨／年，工业总产值1 3 3 7 2 ．8 9 7 万元， 占所有矿山企业工业总产值的7 6 ．3 4 ％，煤炭不仅是巩义市矿业的支柱 图1 ．1 ，而且 还是纳税大户。2 0 0 0 年上缴税金总额2 0 6 1 ．3 1 万元，占有所有矿山企业税金总额的 9 5 ．9 5 ％，利润总额为2 0 7 ．3 万元，占所有矿山企业利润总额的3 5 ．0 5 ％。 留 k 蓬 慰 图1 ．1 巩义市主要矿产资源2 0 0 0 年储量表情况统计图 随着自然环境或人类工程经济活动的加剧在不断发生变化，形成一种破坏作用，产 生原生的或次生的地质灾害，如煤炭产业的开发利用会使自然生态产生地面沉降、塌陷、 地裂缝、地下水资源枯竭、地下水水质恶化、地方病等。其破坏程度以及持续性成为制 约国民经济发展的因素之一【l 】。所有地质环境灾害中，尤以煤矿采空区对我省的高速公 路建设的危害和风险影响程度也最为明显，十几年以来已经治理过的高速公路下方的采 空区，9 5 ％以上都是煤炭采空区【2 J 。 2 表1 ．1 巩义市现有地质灾害统计数据 ㈣舢姗㈣姗舢姗舢姗舢姗㈣姗㈣姗㈣舢o 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 ●● 万方数据 工程硕士学位论文南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研究 截止目前，我们国家继续加大对民生基础设施的投资，特别是对内地已有或老化基 础设施的不间断的改建和扩充。基于以上原因，我们国家矿区资源型城市的基础设施建 设和产业发展不断面对新的技术性难关，因其煤炭资源原料供给地位的显著优势，急切 需要在采空区上方地表新建一批大型的钢铁、电力、冶炼、建材等工厂和库房设备，基 础设施部门迫切需要在煤矿采空区上方修筑或者改建一大批高速公路和铁路、隧道以及 桥梁、民用建筑等涉以及民生的基础设施，随着时间的推移，以上要修筑的非稳定性构 造在上覆长期荷载或地震力的作用下，时时刻刻都可能会引发地表塌陷等地质灾害，造 成路基和路面的不均匀性沉降、路面开裂等高速公路病害，严重的扰乱了高速公路的安 全运营状态，容易给国家和民众的生命财产安全造成巨大不可挽回损失，并随之产生恶 劣的社会影响1 3 1 。基于上述问题和诉求，对老采空区“活化”以及高速公路下方煤层采 空区的路基稳定性分析与研究，保证采空区上伏公路以及大桥的安全性就变得尤为重要 [ 4 1 。 本论文所选取的巩义市南官庄煤矿采空区对巩义镜内 焦铜高速至小訾殿 改建工 程中上跨焦铜高速， 2 3 7 的大桥和连接 2 3 7 的南官庄互通立交的路基质量和安全运营 具有直接深入的影响。基于上述因素，对南官庄煤矿采空区临近的改扩建工程 特别是 大桥和互通立交 的影响程度进行较为深入、系统的分析变得尤其重要，根据对相关文 献检索与分析，该地区在相关问题的研究工作和内容较为缺乏，因此本论文对高速公路 下伏采空区问题的研究具有一定的理论意义，并对巩义市以及附近地区煤炭资源开发和 采空区上部构筑物的修筑以及保护具有现实性的借鉴意义，与此同时也为以后同类的工 程地质难题研究以及解决给出实际意义的参考。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状以及发展趋势 通常在对于采空区问题的研究和分析范畴上，主要集中在煤炭行业、冶金部门、军 事和交通等领域。从2 0 世纪5 0 年代主要产煤国家，如波兰、前苏联、就开始对“三下” 采煤技术进行详细研究。但涉以及煤矿采空区对高速公路路基和路面的风险和危害程度 研究文献相对较少，大部分是相关工程经验的介绍，对高速公路下伏采空区的规律性研 究，稳定性研究以及治理方案都很少提以及，即使涉以及，理论基础和研究手段也不够 完善和系统。 L i t w i n i s z y n 将上覆岩层比作是被大量巨细不一的岩层裂隙和岩层断裂所切割成的 碎块状岩体【5 1 ，他判断下伏煤层开采所引起的岩层移动规律和随机介质模型中碎块体的 移动规律在宏观上是相似的，由此提出了著名的随机介质理论模型。最早对岩层移动规 律进行了研究。 万方数据 1 绪论工程硕士学位论文 J o n e s l 6 ] 、S e r g e a n t l 7 1 、M ．C ．W a n g l 8 1 等人通过对于采矿地区浮空对于地表显存基础设 施的破坏的考察，从实证角度证实了采空区对于生产生活可能存在巨大的危害。然而该 类研究存在以工程学经验为基础经验性研究为主的问题，没有建立系统的理论和完善的 研究手段，对于煤矿采空区上伏构筑物路基路面破坏机理和构筑物地质灾害防治举措并 没有进行具体深入的研究。 S i r i v a r d a n e [ 9 1 和A m a I l d a 【10 1 、X ．L ．Y a o 【I l 】、W o o d 【1 2 】等学者通过对于采空区的破坏情况 采取建模分析的办法，研究了采空区覆盖岩石的陷落以及岩石陷落引发的地区土壤离层 现象，对采空区破坏规律的研究方法进行了完善。 V ．M ．s e r y a k o v 和S m O ．S ．P a n d S i n g h U ．K 等学者国内外学者将数值模拟方法广泛运 用到高速公路下伏采空区中来，数值模拟可采用有限元、离散元、边界元以及有限差分 等方法。有限元方法因其自身具备单元丰富、本构关系可选择性多样等特点，在当前所 有分析模型当中应用最广泛，发展也最为成熟。当前能够应用在岩土工程分析当中的相 应软件也有很多，如A N S Y S 、S A P 、F L A K 、A D l N A 、N C A P 、G T S 等。有限差分软件包 括目前广泛应用于岩土工程领域的F L A C 2 D F a s tL a g r a g i a nA n a l y s i s o f C o n t i n u a 软件， 是由美国I T A S C A 公司研发的显式有限差分程序【1 3 1 ，F L A C 3 D 软件是F L A C 2 D 软件的 优化升级版，F L A C 软件在模拟大变形方面优势突出，且适用于大规模地质体的变形和 力学分析【1 4 1 。除以上方法外，还有其它的数值模拟方法，包括灰箱法、表面元法等1 1 5 1 。 1 ．2 ．2 国内研究现状以及发展趋势 在我国，高速公路下伏采空区问题的研究比相关国家晚，近些年，随着高速公路的 大规模修建，我国学者们逐渐地开始关注大型线性工程下伏采空区的稳定性和对地基的 危害性评价，通过一些通过处理和研究国内一些大型高速公路的采空区问题，进行了相 关理论的研究和相关技术的试验【l6 | ，在此问题的研究上取得长足的发展。目前采空区研 究主要有以下2 个方面 1 研究煤矿采空区塌陷力学机理 近年来，代表性的研究主要有腾永海等【o ”。腾永海通过对于采空区附近的高速公路 承载力的研究，提出应当用附加应力法来研究采矿对于高速路荷载深度的影响以及造成 的裂隙带发育的高度。赵经彻、陶廷云等【1 8 ] 建立了计算模型，来研究采矿区不同的开采 方式对于冒落带岩层厚度的以及裂隙高度还有采矿导致的地表沉降的情况。尹光志等[ 1 9 】 建立了相应的物理力学模型来研究煤层的深层开采对表面覆盖岩层产生的变形作用。杨 利掣2 1 ] 在以前学者研究的平台上按照野外地质调查成果并结合勘探钻孔揭露 岩层构造 发育、岩石的物理力学性质、煤层深厚比等对煤矿区的地面塌陷的机理进行了相关研究。 2 采用试验和煤层开采沉陷预计理论的研究方法 另一部分国内学者主要通过对于采空区的模拟分析法来开展研究。康建荣【2 2 】对采空 万方数据 工程硕士学位论文南官庄煤矿采空区稳定性分析及加固方法研亢 区表层覆盖的岩石的层次变化进行研究。尹光志【2 3 】等运用相似材料模拟和数值分析法， 对倾斜煤层的开采沉陷地表运移规律进行研究，对煤层当场开采具有实际的指导意义。 刘秀英口4 J 研究了山西地区的采矿情况，对于煤矿开采导致的煤层的移动和变形以及采空 区建筑物荷载对路基稳定的影响进行了研究。吕文玉瞵】等通过研究“太平煤矿采空区” 采矿导致的地表沉陷，揭示了采空区地表变形的规律。张兴胜【2 6 】等人概化研究试验模型， 给定几何比和物理相似比，使相似材料达到强度要求，粉煤灰运用到岩石相似材料中， 并取得了良好的效果，相似材料以及相似比的建立为公路路基下伏采空区岩体相似材料 研究开展模型试验研究给出了研究基础，除了上诉方法普遍使用的还有数值模拟方法。 谢和平[ 2 7 1 等用F L A C 分析法比较了不同地区在矿山开采过程中的沉降的估计和实际情况 之间的对比，王生俊【2 8 噪用F L A C 3 D 建模分析了高速路下采空区的沉降值。金爱兵【2 9 J 等通过在实验室内进行物理力学试验和采取E H - 4 全面探测煤矿采空区的基础上，得出 参数，并借助M I D A S ／G T S 创建三维数值模拟计算模型，通过模拟效果取得了与实际监 测结果相契合的结论，并在此根基上对采空区沉降区范围以及变化规律进行了预计，为 采空区治理方案的确定提供了依据。刘俊l 划等应用G T S 软件建立采空区以及覆岩三维 数值模型，模拟煤矿开采以及结束后采空区覆岩应力和位移分布，结合监测数据判断煤 矿采空区地面建设场地的稳定性现状；然后在采空区地表施加拟建公路特大桥梁荷载， 分析施加荷载后采空区覆岩的应力和位移变化，进一步分析采空区地面场地的稳定性， 为在采空区地面的工程活动提供技术支持。 1 ．3 研究内容与方法 本论文以巩义市南官庄煤矿采空区对巩义境内 焦铜高速至小訾殿 改建工程的影 响为研究背景，基于对改建高速公路沿途矿区的区域地质概况和工程地质概况的详细分 析，阐述缓倾斜煤矿煤层的围岩移动规律，采用经验公式计算法和G T S 数值模拟方法 研究围岩和地表移动特征和变化趋势，在上述基础上分析南官庄煤矿采空区对高速公路 改建工程的影响和注浆治理后高速公路路基稳定性问题。 1 现场亲自参与勘察，钻探和物探数据以及相关背景资料的收集，对背景资料 进行整理研究，再结合地表地质调查以及工程调绘，探明南官庄煤矿采空区的分布位置、 埋藏深度、剩余空间，同时获取岩层物理力学参数，为下一步对煤矿采空区的稳定性研 究奠定基础。分析南官庄煤矿矿区开采特征、区域构造地质条件、工程地质和水文地质 条件。按照煤矿地质和开采特征，深入研究南官庄煤层采空区的变形特点和围岩移动规 律。 2 根据相关规范准则和矿山开采沉陷学相关理论中经验公式，通过经验公式计 算法得出五种地表变形指标结果，用计算结果值和规范允许值进行对比，分析南官庄煤 矿研究区地表变形，评价南官庄煤矿采空区稳定性。依据计算煤矿采空区的最大下沉值、 5 万方数据 1 绪论工程硕士学位论文 地表最大倾斜值、最大曲率值、最大水平位移值、最大水平变形值的结果，评价和研究 煤矿采空区的稳定性。根据公式计算得出公路下伏采空区地表最大沉降值为1 ．4 0 8 m ， 最大水平位移值为0 ．4 2 2 m ，倾斜值i 范围在2 0 ．O ～2 3 ．3m m ／m 之间，水平变形值￡范围 在9 ．1 ～