車輛載重對煤礦采空區殘余下沉系數的影響

馬世龍 李俊寶

摘 要：本文以焦作某采空區地層結構特征為例，采用數值模擬方法，分析不同車輛載重對采空區路面再沉降值的影響。然后根據不同車輛載重下路面最大沉降值計算該采空區殘余下沉系數，進而擬合出車輛載重與殘余下沉系數之間的關系曲線。本文分析結果對煤礦采空區殘余變形值的預計及載重車輛采空區安全行駛具有重要的指導意義。

關鍵詞：煤礦采空區;殘余下沉系數;車輛荷載;數值模擬

中圖分類號：TD325文獻標識碼：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

煤礦采空區在我國分布較為廣闊。據統計，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，所以高等級公路建設很難避開煤礦采空區，有時需要修建在采空區之上。受煤層開采的影響，采空區內的上覆巖層在自身重力作用下發生斷裂和變形，受損的巖體經過一段時間相互擠壓，暫時處于平衡和穩定狀態。然而，煤層上覆巖層中離層、空隙、欠壓實以及裂縫中飽和水等引發巖層失穩的不安全因素仍一直存在[2]。車輛經過采空區上方的公路，對礦區路面產生動荷載，并以附加應力和振動波的形式由上而下持續向采動巖體傳遞，使原本已處于穩定狀態下的巖層受到車輛荷載影響而再次發生失穩和變形，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路基殘余下沉系數分析，對煤礦采空區殘余變形值的預計以及路面穩定性的綜合評價具有重要的理論價值和指導意義。

1 煤礦采空區殘余下沉系數的推導

根據煤層開采極限下沉預測模型可知[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，那么采空區地面的最大下沉值理論上應接近于煤層開采厚度。此情況下采空區地表最終下沉系數近似為1，殘余下沉系數[q′]的計算公式為：

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

式中，[q0]為初次開采結束后地表實際下沉系數。但實際上，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際下沉面積，在外界荷載的擾動下，巖層重新穩定后地表總下沉值并不能達到煤層實際開采厚度，而是小于煤層開采厚度。如果采空區巖層初次穩定后地表下沉值為[w0]，在車輛荷載影響下，巖層再次穩定后地表的最大下沉值為[ws]，那么車輛荷載對采空區路面產生的再沉降值為：

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

則外界荷載影響下的地表殘余下沉系數[q′]為：

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

目前，國內外主要通過室內相似材料試驗或計算機數值建模的方法來推導解算地表殘余下沉系數。公路經過煤礦采空區，在車輛荷載影響下，巖層將再次發生變形，車輛載重不同，采空區路基再沉降值也不相同。本文采用數值模擬方法，以焦作某采空區地層結構特征為例，分析不同車輛載重下采空區路面的殘余下沉系數。