西马矿区公路下开采的数值模拟.pdf

-1- 西马矿区公路下开采的数值模拟西马矿区公路下开采的数值模拟 苏仲杰 1，孙琦1，王猛2，关月洁1 1 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新（123000） 2 辽宁工程技术大学资源与环境学院，辽宁阜新（123000） E-mailSuzhong_jie 摘摘 要要 本文研究了地下煤层开采与地表移动和变形的关系， 分析了地表移动和变形对高速 公路的影响， 根据西马矿的地质采矿条件对各种可行的采煤方法进行了分析， 并利用有限元 分析软件ADINA对地表岩层的移动和沉陷进行了数值模拟。 关键词关键词公路下采煤；开采沉陷；数值模拟；ADINA 中文分类号中文分类号TU478 1. 引言引言 高速公路下采煤是建筑物下采煤的实例。高速公路是整体延伸长度大、服务年限长、行 车速度高的特殊线型构筑物。 在高速公路下开采时， 路基的承载能力与稳定性受开采沉陷变 形的影响较大，如地表过度沉陷会导致地面低洼长期积水、破坏;沉陷造成的倾斜会导致行 驶车辆重心偏移，特别是在弯道位置对高速行驶的车辆危害更大;水平变形和移动使路面受 拉伸开裂、受压缩隆起，路面产生波浪起伏，路面或路基中产生局部离层破坏;路面的波浪 起伏可能导致高速行车腾空， 导致翻车事故等等。 因此在高速公路下采煤就需要设计合理的 方案，既要保证煤炭的顺利采出，也要保证高速公路的使用。 2. 工程概况工程概况 西马煤矿位于辽宁省灯塔市西马峰镇，为第四系厚松散强含水层覆盖的隐伏向斜井田。 面积 30 平方公里，其中含煤面积 25 平方公里，探明储量 7821.0 万吨，可采储量 4775.2 万 吨。煤矿井地理位置在沈阳与辽阳之间，北距沈阳 56 公里，灯塔 13 公里，南距辽阳 10 公 里，东有长大铁路，西有 202 国道，沈大高速公路纵贯井田中心，造成大量压煤，并对采煤 引起的地表沉陷提出了严格要求，给煤矿生产带来极大影响。 井田含煤层 7 煤、12 煤、13 煤，煤层平均厚为 2 米，可采煤层为 12 煤，系下部主要可 采复煤层，上距 3 煤 89 米，由 18 个夹石层组成，最大全层厚（包括夹石）7.95 米，最小 厚 0.59 米， 纯煤厚为 0.596.18 米， 平均煤厚为 2 米， 分煤层 19 层， 夹石层总厚度 0.053.13 米。可采煤层厚度为 0.326.05 米，平均煤层厚度为 2 米，分煤层为 17 层，夹石最多 67 层最大厚度 1.34 米，一般多在 0.50 米以内，该煤层稳定。 3. 高速公路允许移动和变形值高速公路允许移动和变形值 目前国内外对公路下开采允许变形值尚未做过专门的深入研究。 与此有关的规程有我国 原煤炭部1986年颁发的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ［［1］］,而 建设部发布的建筑地基基础设计规范GB50007-2002 ［［2］］、交通部发布的公路路基施 工规范 （JTJ 03395） ［［3］］中没有关于公路下开采或采空区地表建筑地基基础设计的内容。 交通部发布的 公路路基设计规范 （JTG D302004） ［［4］］对软土地基公路工后允许沉降 （下 沉）做了如下规定 -2- 表 1 公路允许工后沉降表 2005年，山西交通厅提出以下变形值允许范围 ［［5］］ （1）水平长度允许变形值，简称水平变形（ε） ε≤2.0（mm/m） （2）垂直剖面允许变形值，包括倾斜（i）和曲率（k） i≤3.0（mm/m） k≤0.2/ 2 mmm 本文结合以上各种资料的要求，采用下列方案为允许移动和变形值 水平变形ε≤2.0（mm/m） ，倾斜i≤3.0（mm/m） ， 曲率k≤0.2/ 2 mmm， 下沉 w≤0.3 m 4. 条带开采方案的提出条带开采方案的提出 条带开采设计主要包括三个步骤 ［［6］］ （1）采出宽度 b 确定 理论研 究 与 国 内 外 条 带 法 开采 实 践 表 明 ， 条 带 法 开 采 宽 度 一 般 为 开 采 深 度的 1/4 至 1/10，即 b0.1～0.25H。 （2）留设条带煤柱宽度a的确定 条带法留设煤柱宽度应根据煤柱的稳定性确定。煤柱的稳定系数 K 为 条 带 法 留 设 煤 柱 能 够 承 受 的 极 限 载 荷 c σ与 作 用 在 留 设 煤 柱 上 的 实 际 载 荷 p σ 的 比值， c σ / p σ K。 条带煤柱能够承受的极限载荷值为 m T mHaH C 1092 . 4 4 3− −γσ γ－覆岩平均容重 H－覆岩厚度，m；a－留设煤柱宽度，m；m－煤层采厚， m。 作用在煤柱上的实际载荷为 m T bHbH P , ]26 . 02[−γσ b－采出宽度， m； 根 据 开 采 深度 ， 确 定条 带 开 采宽 度 b，计 算 出 条带 开 采 留设煤柱宽度a。 （3）条带法开采安全性分析 核区率计算 65100 2 ≥ − a a n P γ P γ －煤柱屈服区宽度，mH P 005. 0γ； 条带开采设计经过计算核区率大于 65，煤柱稳定性系数 K1.55，深厚 工程位置 道路等级 桥台与路堤相邻 处 涵洞、通道处 一般路堤 高速公路、一级公路 ≤0.10m ≤0.20m ≤0.30m 二级公路 ≤0.20m ≤0.30m ≤0.50m -3- 比大于 100m，才能满足条带开采的要求。 本文研究走向方向长度为 3000m 左右的开采范围，第一段 0-1040m， 采 160m 留 100m，第二段 1040-1920m，采 130m 留 90m，第三段 1920-3030m， 采 90m 留 60m。验算稳定性均满足以上的要求。 图 1 西马煤矿变采留比条带开采剖面示意图 5. 基于基于 ADINA 的数值模拟的数值模拟 将实际开采情况简化为二维平面有限元弹塑性本构模型，分析公路主断面的移动和变 形。底板节点竖向位移固定,水平方向自由;模型左右边界水平方向固定,竖直方向自由。 表 2 上覆岩层物理力学性质表 岩性 弹性模 量 E 泊松比 密度 ρ 粘聚力 C 内摩擦 角 φ 抗拉强 度 RL 抗压强度 RC 沥青混凝土 17 0.22 2.65 15.2 41 7.1 85.3 表土 10 0.2 1.84 0.03 32 0 3.6 砾石 17.3 0.23 2.65 13.2 31.3 9.3 193.6 中砂岩 16.8 0.23 2.68 14.1 51.4 8.2 96.0 中砂岩 16.6 0.23 2.63 14.3 51.6 8.1 95.7 粉砂岩 19.8 0.21 2.71 24.9 43.6 9.7 108 细砂岩 5.9 0.21 2.55 1.86 31.2 8.0 89.4 煤层 2.6 0.21 1.75 1.5 45.1 1.14 9.15 中砂岩 17.0 0.22 2.65 14.2 51.7 8.3 96.2 -4- 图 2 水平移动云图 图 3 下沉云图 表 3 主断面地表（路面）数值模拟结果表 最大下沉值 最大水平移动值 最大倾斜值 最大水平变形值 曲率 280.67mm 68.57mm 0.13mm/m 0.11mm/m（拉伸） -0.20mm/m压缩 0 0.0000 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400 0.0500 0.0600 0.0700 0.0800 050010001500200025003000350040004500 水平方向距离 水平方向移动值 图 4 地表水平移动轨线图 -5- -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 010002000300040005000 水平方向距离 下沉值 图 5 地表下沉轨线图 6. 结论结论 （1）由下沉云图 3 和地表下沉轨线图 5 可以看出，受采动影响的地表从原有标高向下 沉降，从而在采空区上方形成地表沉陷区域。在形成地表移动盆地的过程中，改变了地表原 有形态。 本设计采区采深和采厚比值较大， 从图中可以看出地表下沉在空间上是连续渐变的， 具有一定规律性，倾斜变形也是渐变、连续的。本文选取的方案的最大下沉值和最大倾斜值 均在提出的高速公路允许移动和变形值的范围以内， 因此不会在高速公路路面上形成较大的 不均匀变形，不会在路面上形成积水坑。 （2）由水平移动云图 2 和地表水平移动轨线图 6 可以看出，受采动影响的地表在水平 方向上是向下山方向移动的，在采空区正上方的地表，出现了压缩变形，而在采空区下山方 向的地表下沉盆地中出现了拉伸变形。 而且移动和变形是连续渐变的， 水平移动和变形都在 提出的高速公路允许移动和变形值的范围以内，而且变形在 0.7mm/m 以内，因此不会造成 高速公路路面裂缝，公路是稳定的。 （3）由表 3 的曲率变形值为 0 可以看出，地表没有出现波浪形下沉，说明条带开采后 覆岩移动基本稳定，并且合理的留宽完全承受住了覆岩重力，在地表形成了均匀盆地，变化 连续，这种条带开采参数的选择是有效的。 -6- 参考文献参考文献 [1]中华人民共和国煤炭工业部，建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]，煤炭工业出版 社，1986 年 [2] 中华人民共和国建设部，筑地基基础设计规范[M]，建筑工业出版社，2002 [3] 中华人民共和国建设部，公路路基施工规范[M]，人民交通出版社，1995 [4] 中华人民共和国建设部，公路路基设计规范[M]，人民交通出版社，2004 [5] 山西交通厅，中交通力公路勘察设计工程有限公司.高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册 [M]. 人民交通出版社，2005 [6] WILSON A H,ASHWIN D P, Research into the determination of pillar size[J]. The Mining Engineer, 1972, 131409417 Numerical Simulation of the mining under super-way in xima coal mine Su Zhongjie1, Sun Qi1, Wang Meng2, Guan Yuejie1 1 The institute of civil and architecture of Liaoning technical university, Fuxin, China 123000 2 college of resource and environment engineering of Liaoning technical university, Fuxin, China 123000 Abstract This paper studies the relation of the mining of coal and the move and distortion of earth’s surface, analyzing the effect of the move and distortion of earth’ s surface to the super-way.According to the geological and the mining conditions of Xima mine, analyze s the feasibility of mining s and concludes the feasible mining . To use the Postprocessor of ADINA to draw up the curves of the surface displacement distribution and subsidence. Keywords coal mining under the super-way；mining subsidence； numerical simulation；ADINA 作者简介作者简介 苏仲杰，男，1960 年生，教授、博士，主要从事开采沉陷方面研究； 孙琦，男，1981 年生，硕士，助教，主要从事防灾减灾工程方面研究； 王猛，男，1978 年生，博士生，讲师，主要从事采矿方面研究； 关月洁，女，1981 年生，硕士生，主要从事防灾减灾工程方面研究。