煤礦老采空區上方高速公路建設安全性評價及其關鍵技術研究

郭慶彪

安徽理工大學測繪學院，安徽 淮南 232001

隨著我國高速公路網的加密，在煤礦老采空區上方的建設將日趨普遍。如何保障車輛的運行安全將是老采空區上方高速公路建設的關鍵問題。為此，本文綜合采用現場調研、野外勘測、數值模擬、相似材料模擬及理論分析等多種技術手段，圍繞著煤礦老采空區高速公路建設安全性評價及其關鍵技術展開研究，主要內容如下：

(1) 將老采空區覆巖視為多元介質耦合的力學結構體，分別采用廣義開爾文體、砌體梁結構和復合巖梁結構描述垮落帶、斷裂帶和彎曲帶巖體的移動變形。在此基礎上，揭示了長壁垮落法開采老采空區的失穩機理，并將老采空區“活化”類型歸納為Ⅰ類緩慢壓縮蠕變型、Ⅱ類強度衰減蠕變型、Ⅰ類強度衰減結構失穩型和Ⅱ類外力干擾結構失穩型4類。

(2) 采用數值模擬方法建立了29個數值模型，揭示了路堤高度、路面剛度、車輛載重及車輛速度4個因素對車輛荷載擾動深度的影響機理。結果表明，車輛荷載的擾動深度與路堤高度呈線性關系，與路面剛度、車輛載重及車輛速度呈對數函數關系。采用極差標準化法分析了各影響因素對擾動深度的影響程度，由大到小依次為車輛載重、車輛速度、路面剛度和路堤高度。在上述研究的基礎上，結合多元回歸分析和疊加原理得到了車輛荷載擾動深度的計算公式，最終給出了車輛動荷載擾動下煤礦老采空區安全深度的計算方法。

(3) 總結歸納了老采空區上方高速公路建設場地穩定性的主要影響因素，采用數值模擬的方法揭示了各影響因素的作用機理。結果表明，巖體結構、深厚比和沖積層厚度等因素與建設場地穩定性正相關；地質構造復雜程度、巖石力學強度和重復采動等因素與建設場地穩定性負相關；采動程度與老采空區建設場地穩定性非線性相關，隨著采動程度的增加，其穩定性呈現出由高變低再變高的過程。在此基礎上，構建了煤礦老采空區上方高速公路建設場地穩定性組合評判模型，融合灰色關聯分析、層次分析法和特征向量法給出了組合評判模型中評價要素權重的計算方法，利用散點圖法分析了定量因素的隸屬函數，最終結合隸屬函數和德菲爾法確定了全部評價因子的隸屬度。

(4) 為了克服現有預測模型的缺陷，結合老采空區建設場地移動變形“源”的分布特征，基于概率積分法和疊加原理構建了老采空區上方高速公路建設場地移動變形的組合預測模型。結合具體算例對比分析了組合預測模型與現有預測模型的預測效果。結果表明，組合預測模型能夠全面反映老采空區殘余變形“源”導致的建設場地移動變形，可以有效地解決現有預測模型的不足，且該模型能夠顧及老采空區“活化”變形的時間效應，使得預測結果更加科學合理。

(5) 給出了煤礦老采空區上方高速公路建設安全性評價研究的一般工作流程，明確了各個工作階段的具體研究內容及工作方法，總結分析了地球物理勘探及變形監測技術的適用條件，提出了高速公路下伏老采空區的治理對策，最終建議了相關類似課題研究報告中需涵蓋的主要內容。

(6) 將本文研究成果應用于武云高速建設的安全性評價。結果表明，武云高速建設場地處于基本穩定狀態，主要表現為Ⅰ類緩慢壓縮蠕變型和Ⅱ類強度衰減蠕變型的“活化”類型。預測建設場地的最大殘余沉降值為184 mm，最大傾斜值為1.2 mm/m，最大曲率值為0.02 mm/m2，最大水平移動為76 mm，最大拉伸變形為1.45 mm/m，最大壓縮變形為0.76 mm/m，但上述變形是大范圍、逐漸發生的，不會出現突發性的失穩沉降。綜上所述，武云高速下伏老采空區殘余變形“源”導致的建設場地移動變形不會對高速公路車輛的運行安全造成威脅。