非平行視角下工作面開采對公路的影響分析

王 萌，高 遠，范咪娜

（1.山東正元數(shù)字城市建設有限公司，山東 膠州 266300）

隨著世界能源對煤炭需求的增長以及國家基礎設施建設的推進，我國基礎設施建設穿過礦區(qū)工作面已不可避免[1-4]。然而基礎設施建設（本文特指公路）與采礦工作面推進一般不會是同步進行，若先進行工作面開采，則公路建設需要對已經(jīng)產(chǎn)生地表下沉的土地進行修復；若工作面滯后于公路建設，則后期需對公路建設進行墊高或是增加抗變形處理。然而不論上述何種方式，均需評定煤礦工作面開采對公路的移動變形影響[5]。由于煤礦開采對工作面要求的特殊性，除非重大建（構）筑物或不允許變形的設施，否則工作面開采帶來的地表沉陷現(xiàn)象后期可以通過修護和賠償?shù)姆绞綄κ軗p建（構）筑物進行補貼，因此當二者發(fā)生沖突時，只能由企業(yè)協(xié)調(diào)政府，妥善處理后續(xù)工作。然而，公路作為線性構筑物的代表，公路設計時并不正好通過工作面正上方，因此在研究工作面開采對公路變形影響機理時不得不考慮工作面與公路呈一定角度時的地表移動變形規(guī)律。本文采用數(shù)值模擬的手段，研究了工作面布置于公路在不同方向下的移動變形規(guī)律，其下沉數(shù)據(jù)可以指導公路后期修護，具有一定的工程實踐意義。

1 實驗方案

考慮到在實際工程中，線性構筑物不會與工作面直接平行或垂直，往往具有一定的夾角，因此為了研究不同夾角對公路變形破壞的影響，在本次模擬實驗中，通過改變公路與工作面的夾角來模擬研究工作面推進方向?qū)纷冃纹茐牡挠绊?，夾角變化為0°～90°，數(shù)值模擬中選取幾個典型的角度，與工作面中心錯開一定的位置，防止最大下沉數(shù)值相等，因考慮到實地實驗的不可行型，因此采用室內(nèi)數(shù)值實驗的方法，模擬設計工作面與公路之間的夾角分別為20°、45°和80°，其相對工作面位置如圖1所示。

圖1 工作面走向方向與公路不同夾角模型圖

2 數(shù)值模擬及結果分析

按照上述實驗方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面開采對路面的變形影響[6]，采用摩爾庫倫本構模型，對公路底部施加位移約束[6]，公路橫向方向、路面表層及邊界不施加約束；模型底板在豎向、水平方向施加位移約束條件，模型頂部為自由邊界，自應力為模型初始應力。模型按照水平煤層進行建立，建立的模型長1 200 m、寬1 200 m、高400 m，網(wǎng)格平面尺寸為10 m×10 m，便于工作面推進計算。初始模型建立完畢后，利用FLAC3D軟件中的Fish語言編制地表變形提取程序，提取工作面開挖后的地表下沉和水平變形數(shù)據(jù)，為直觀顯示不同推進距離下的下沉情況，以模型中心（600 600 20）為截面中心點，沿公路走向方向分別提取數(shù)據(jù)，并繪制相關曲線，如圖2、3所示。

圖2 不同方向夾角地表下沉

在提取地表下沉和水平變形數(shù)據(jù)時，由于20°夾角和45°夾角是貫穿整個模型的，即x值是從0變化到1 000，而45°夾角和80°夾角是y值從0變化到1 000，這是由工作面和公路夾角不同所致，在方向為80°時，由于其橫坐標并沒有完整的穿過走向方向，因此其數(shù)值由400～600 m變化，而不是0～1 000 m變化，因此在繪制公路下沉和水平變形值時，將二者分開繪制，以便最大程度的顯示數(shù)值變化差別。為了更直觀的觀察數(shù)值變化、分別二者之間的關系，將下沉和變形極值對比極值統(tǒng)計，如表1所示。

表1 不同夾角極值對比統(tǒng)計

開采沉陷對公路的損害評價指標分別有地表下沉、水平移動、水平變形、傾斜以及斜率[7]，由于移動和傾斜的特殊性，其沉陷造成的地表效果往往是均勻的，對于公路這種線性構筑物來說，起影響的變形指標為下沉和水平變形[8]，因此本文中，作者選取了下沉和水平變形這兩個指標。可以看出公路受沉降變形影響的范圍隨著工作面走向方向和公路沿線方向之間夾角的增大而不斷減小，整體呈線性減小趨勢為1 mm/°，而水平變形則沒有顯現(xiàn)出較強的相關性，20°與45°近似相等，80°時最大，達到5.9 mm/m，從開采沉陷的角度來看，此時，公路已發(fā)生較大的變形，應做好及時處理。

鑒于對路面變形破壞的評估指標主要是水平變形，結合圖3和表1可以看出：當線路走向與工作開采前進方向夾角為20°的水平變形大于45°夾角的情況，與此同時80°夾角的水平壓縮變形極值遠大于20°和45°，且三者極值變化并非是線性關系，而本次的模擬實驗僅做了3個夾角的對比實驗，單從數(shù)值變化來看，水平變形值并不是隨著夾角的變化而均勻變化，說明水平變形在兩者變化0°～90°夾角之間存在極小值，預估在50°～60°之間。因此公路在設計時，可以刻意將工作面推進方向和公路方向設置為60°左右，以最大程度的減小開采沉陷水平變形對公路的損害。在用概率積分法計算評價指標時，默認為地表移動盆地為均勻性而不存在突變，因此公路地表下沉一般為均勻下沉，若下沉已對公路使用造成影響，應及時采取公路墊高等修護措施。對于水平變形數(shù)據(jù)來說，由于公路在建設施工前期已經(jīng)考慮了一定程度的變形，因此在滿足公路變形指標的情況下，可以認為公路是安全可靠的。若在施工建設開始前，已知地下有工作面推進，應在公路施工時，適當多使用抗變形材料，以抵抗開采沉陷帶來的水平變形同時減少公路養(yǎng)護費用。

圖3 不同方向夾角地表水平變形

3 結 語

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析了開采工作面與公路在不同夾角情況下的移動變形特征，研究結果認為：

1）隨著工作面走向與公路沿線方向之間的角度增大，公路的地表下沉和水平變形均發(fā)生變化，下沉極值隨著角度的增大而逐漸減小，整體呈線性減小趨勢為1 mm/°，而水平變形則沒有顯現(xiàn)出較強的相關性。

2）當工作面與公路夾角為20°和45°時，其水平變形值近似相等，80°時最大，達到5.9 mm/m，認為0°～90°夾角之間存在極小值，預估在50°～60°之間。了解工作面與公路不同方向的地表下沉變形規(guī)律可在一定程度上指導公路設計，為實際工程建設提供依據(jù)。

3）非平行視角，工作面開采對公路移動變形的影響同樣適用與其他線性構筑物相參照。