一種確定地震作用下存在廢棄采空區(qū)的地表附加沉降方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦業(yè)工程，特別是涉及得到廢棄礦區(qū)由于地震產(chǎn)生的附加地表沉降， 給出符合公路路基正常工作的采空區(qū)充實(shí)率和地震加速度組合方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 井工開(kāi)采是煤礦的主要生產(chǎn)方式之一，回采結(jié)束形成的采空區(qū)處理方式也有多 種，但無(wú)論是爆破放頂或是充填方法，其上覆巖層都要發(fā)生運(yùn)移和應(yīng)力變化，甚至出現(xiàn)垮落 破壞直至應(yīng)力平衡。廢棄煤礦采空區(qū)及其上覆巖層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期變化達(dá)到平衡，地面沉降也將 趨于穩(wěn)定，在這種情況下對(duì)于擬建和既有建構(gòu)筑物都是有利的。但是這樣通過(guò)垮落形成的 巖體應(yīng)力及運(yùn)移平衡也是脆弱的。未進(jìn)行開(kāi)采的巖層其內(nèi)部在長(zhǎng)期的構(gòu)造過(guò)程中以形成密 實(shí)，相對(duì)連續(xù)，且應(yīng)力平衡的應(yīng)力場(chǎng)。以這樣的巖層作為施工場(chǎng)地，對(duì)于施工產(chǎn)生的附加應(yīng) 力，粧基震動(dòng)等有良好的適應(yīng)性。另一方面如遇地震，完好的地層內(nèi)部巖體由于震動(dòng)重新排 列的機(jī)會(huì)不大(不考慮地震液化)，產(chǎn)生的震陷也很小。但對(duì)于廢棄采空區(qū)上覆地面的擬建 和既有建構(gòu)筑物，地震引起的巖層運(yùn)移和地面附加沉陷就應(yīng)引起重視。
[0003] 由于工作面推進(jìn)過(guò)后采空區(qū)或充填或爆破放頂都將引起其上覆巖層運(yùn)移，運(yùn)移過(guò) 程中巖層會(huì)產(chǎn)生斷裂或垮落等現(xiàn)象，這些斷裂和垮落的巖體相互交疊，共同支撐了更上部 巖層使裂隙帶不繼續(xù)向上蔓延。這些巖體垮落形成的充填體構(gòu)造是不穩(wěn)定的，特別是遇到 地震等外因時(shí)，容易使原有的平衡模式破壞，通過(guò)震動(dòng)各碎裂巖體將趨于勢(shì)能更小的方向 運(yùn)移。這樣的運(yùn)移進(jìn)一步使垮落體體積減小，上部出現(xiàn)硐室，使裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)展，造成 地面附加震陷。
[0004] 對(duì)于震陷，特別是廢棄采空區(qū)震陷研究較少，與其相關(guān)研究也并不多見(jiàn)。要解決的 工程問(wèn)題：在一既有公路下方，有一擬開(kāi)采的傾斜煤層，分析進(jìn)行充填開(kāi)采(先期確定充實(shí) 率應(yīng)大于0. 83)并廢棄后如遇地震，采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)移和地面附加震陷情況，并分析充 實(shí)率、震級(jí)和地表震陷的關(guān)系，以滿足公路路基沉降要求。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，提出使用PFC3D作為模擬平臺(tái)，分析充實(shí)率在0. 85、0. 9、0. 95， 且地震加速度為Og(非地震狀態(tài)沉降)、〇. 2g、0. 3g、0. 4g，震動(dòng)20s情況下地層穩(wěn)定后的上 覆巖層運(yùn)移及地面路基沉降的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 1. -種確定地震作用下存在廢棄采空區(qū)的地表附加沉降方法，其特征在于，為 了解充填開(kāi)采并廢棄后的采空區(qū)遇地震時(shí)引起的上覆巖層變化，進(jìn)而保證上部地表處路 基不因地震產(chǎn)生附加沉降而影響正常使用，對(duì)充實(shí)率為〇. 85、0. 9、0. 95,地震加速度為 0. 2g，0. 3g，0. 4g時(shí)的采空區(qū)及上覆巖層進(jìn)行模擬；對(duì)復(fù)雜的巖層進(jìn)行建模，并引入充填開(kāi) 采和地震的模擬方法，得到了采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移、應(yīng)力，及地表路基沉降特征；其包括如 下步驟:巖體模型的建立、采空區(qū)充填模型的建立、地震的施加；本發(fā)明可用于得到廢棄礦 區(qū)由于地震產(chǎn)生的附加地表沉降，給出符合公路路基正常工作的采空區(qū)充實(shí)率和地震加速 度組合方案。
[0007] 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的公路路基正常工作，其特征在于，路基范圍內(nèi)地面沉降 量不超過(guò)0. 3m，路基地面寬26. 5m。
[0008] 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體模型的建立，其特征在于，考慮到巖土體形成過(guò)程 是由于風(fēng)化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積形成的，并經(jīng)過(guò)自然壓實(shí)的 過(guò)程，使用下落法構(gòu)造模型。
[0009] 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空區(qū)充填模型的建立，其特征在于，對(duì)于充填模擬方 法為將煤顆粒粒徑按照充實(shí)率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬性；充填體 擬采用矸石，物理性質(zhì)為：密度I. 9t/m3、體積模量2. 0/GPa、剪切模量I. 8/GPa、摩擦角5° ; 顆粒粒徑從煤轉(zhuǎn)換充填體所乘系數(shù)為：充實(shí)率為0. 85,系數(shù)為0. 9473 ;充實(shí)率為0. 9,系數(shù) 為0. 9655 ;充實(shí)率為0. 95,系數(shù)為0. 983。
[0010] 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震的施加，其特征在于，使用FISH函數(shù)構(gòu)造水平向正 弦波速度時(shí)間曲線且作用在模型底部顆粒上進(jìn)行地震模擬；地震震動(dòng)波的峰值加速度分別 為0. 2g、0. 3g、0. 4g，阻尼為0. 157 ;同時(shí)根據(jù)相關(guān)地震規(guī)范，該地區(qū)為第一組二類場(chǎng)地，特

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1地震波的時(shí)程曲線 圖2擬建礦區(qū)上覆巖層示意圖
【具體實(shí)施方式】 考慮到巖土體形成過(guò)程是由于風(fēng)化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積 形成的，并經(jīng)過(guò)自然壓實(shí)的過(guò)程。按照該思想構(gòu)建了"下落法（ParticlesFallMethod， PFM)"來(lái)構(gòu)造初始應(yīng)力場(chǎng)。PFM是通過(guò)使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實(shí)的過(guò)程 構(gòu)造模型的。
[0012] 對(duì)于充填模擬方法為將煤顆粒粒徑按照充實(shí)率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬 性為充填體屬性。充填體擬采用矸石，物理性質(zhì)為：密度I. 9t/m3、體積模量2. 0/GPa、剪切 模量1.8/GPa、摩擦角5°。顆粒粒徑從煤轉(zhuǎn)換充填體所乘系數(shù)為(前期研究得充實(shí)率應(yīng)大 于0. 83):充實(shí)率為0. 85,系數(shù)為0. 9473 ;充實(shí)率為0. 9,系數(shù)為0. 9655 ;充實(shí)率為0. 95,系 數(shù)為0.983。
[0013] 使用FISH函數(shù)構(gòu)造水平向正弦波速度時(shí)間曲線且作用在模型底部顆粒上進(jìn)行地 震模擬。地震震動(dòng)波的峰值加速度分別為〇. 2g、0. 3g、0. 4g，阻尼為0. 157。同時(shí)根據(jù)相關(guān)地 震規(guī)范，該地區(qū)為第一組二類場(chǎng)地，特征周期，特征頻率為這里所 用時(shí)程曲線為頻率為5Hz，震動(dòng)時(shí)間為20s，I-IOs為加速度增加階段，10-15s為峰值階段， 15-20S為加速度減小階段。a=0. 2g的地震波時(shí)程曲線如圖1所示。
[0014] 對(duì)路基下部地面顆粒進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)范圍為路基下顆粒id:52084、54462、 52913、53175、52556、50730、51303、54067、51740、52385、52861，顆粒直徑為2.5111，又由于排 列有交錯(cuò)現(xiàn)象，所以取11個(gè)顆粒進(jìn)行檢測(cè)。
[0015] 1.-種確定地震作用下存在廢棄采空區(qū)的地表附加沉降方法，其特征在于，為 了解充填開(kāi)采并廢棄后的采空區(qū)遇地震時(shí)引起的上覆巖層變化，進(jìn)而保證上部地表處路 基不因地震產(chǎn)生附加沉降而影響正常使用，對(duì)充實(shí)率為〇. 85、0. 9、0. 95,地震加速度為 0. 2g，0. 3g，0. 4g時(shí)的采空區(qū)及上覆巖層進(jìn)行模擬；對(duì)復(fù)雜的巖層進(jìn)行建模，并引入充填開(kāi) 采和地震的模擬方法，得到了采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移、應(yīng)力，及地表路基沉降特征；其包括如 下步驟:巖體模型的建立、采空區(qū)充填模型的建立、地震的施加；本發(fā)明可用于得到廢棄礦 區(qū)由于地震產(chǎn)生的附加地表沉降，給出符合公路路基正常工作的采空區(qū)充實(shí)率和地震加速 度組合方案。
[0016] 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的公路路基正常工作，其特征在于，路基范圍內(nèi)地面沉降 量不超過(guò)0. 3m，路基地面寬26. 5m。
[0017] 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體模型的建立，其特征在于，考慮到巖土體形成過(guò)程 是由于風(fēng)化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積形成的，并經(jīng)過(guò)自然壓實(shí)的 過(guò)程，使用下落法構(gòu)造模型。
[0018] 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空區(qū)充填模型的建立，其特征在于，對(duì)于充填模擬方 法為將煤顆粒粒徑按照充實(shí)率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬性；充填體 擬采用矸石，物理性質(zhì)為：密度I. 9t/m3、體積模