本發(fā)明涉及礦業(yè)工程，特別是涉及分析充填開采對路基沉降的影響。
背景技術(shù)：
采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力應(yīng)變的變化致使上部地面既有建構(gòu)筑物發(fā)生破壞，甚至失去正常使用能力的問題，已受到社會廣泛關(guān)注。目前，針對這種問題的解決方法主要是充填開采。對于擬開采煤層上部地表有建構(gòu)筑物存在時，應(yīng)提前對可能造成的地面沉降情況做出分析，以保證這些建構(gòu)筑物的正常使用。特別是在煤層上覆巖層構(gòu)造復(fù)雜，煤層較厚且傾斜的情況下，更應(yīng)進(jìn)行開采的可行性分析。例如，采空區(qū)的長度，充填開采的充實率都較為明顯的影響著上覆巖層的移動，也是地面沉降控制的主要影響指標(biāo)。結(jié)合上述分析，先給出要解決的實際問題：在既有公路路基下，對傾斜特厚煤層進(jìn)行充填開采，在上覆巖層構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)條件下，采空區(qū)長度達(dá)到多長時，使路基沉降不大于規(guī)范要求的沉降量。
對于充填開采上覆巖層運移的研究已有了一定成果。但也存在一些問題，如：相似材料模擬試驗存在尺寸效應(yīng)和地質(zhì)構(gòu)造建模誤差等會產(chǎn)生失真，且傳感器的布置區(qū)域有限，難以全面監(jiān)測；概率積分法適應(yīng)條件比較窄，計算參數(shù)的選擇均來自歷史巖移觀測資料的經(jīng)驗總結(jié)且對于地質(zhì)條件的影響無法加入計算模型導(dǎo)致非線性復(fù)雜巖體產(chǎn)生的地表沉降無法處理；基于連續(xù)性理論的模擬無法解決例如斷裂，破碎等常見的非連續(xù)性巖體變形與破壞問題；基于非連續(xù)-連續(xù)性理論的模擬能較好的體現(xiàn)巖體中的各種構(gòu)造現(xiàn)象，但對于構(gòu)造面形態(tài)復(fù)雜的模型建模也是比較困難的。
為解決所提工程問題，用PFC3D通過下落法構(gòu)造復(fù)雜巖體模型，模擬不同充填開采采空區(qū)長度和充實率對路基沉降的影響，以確定保證路基沉降允許值情況下的采空區(qū)長度與充實率關(guān)系。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
1.一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法，其特征在于，確定特厚煤層填充開采對上覆巖層的影響，以保證地表公路滿足規(guī)范要求的正常使用的沉降量，使用PFC3D作為模擬平臺，采用下落法對模型進(jìn)行構(gòu)建和模擬分析；其包括如下步驟：確定地質(zhì)條件、建立模型、模擬充填開采、分析地面路基沉降；本發(fā)明可用于分析充填開采對路基沉降的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法其特征在于，高速公路一般路段工后長期沉降最大值為0.3m，所以規(guī)定充填開采穩(wěn)定后引起路基范圍內(nèi)地面沉降量不超過0.3m；路基地面寬26.5m，監(jiān)測地面沉降范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法其特征在于，考慮到巖土體形成過程是由于風(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)過自然壓實的過程；使用下落法來構(gòu)造初始應(yīng)力場，通過使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實的過程構(gòu)造模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法其特征在于，由于模擬的巖層較完整強度大，且考慮到計算性能的影響，巖層顆粒粒徑均取2.5m；煤層位于巖層1與巖層2的背斜至向斜之間；建模時煤層與巖層1共同建立，后對煤層范圍內(nèi)顆粒進(jìn)行參數(shù)修改，對煤層進(jìn)行表示；對于充填體的模擬方法為將煤顆粒粒徑按照充實率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬性，從而表現(xiàn)充填體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法其特征在于，充填體擬采用矸石，物理性質(zhì)為：密度1.9t/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：充實率為0.7，系數(shù)為0.8879；充實率為0.8，系數(shù)為0.9283；充實率為0.9，系數(shù)為0.9655。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾斜煤層充填開采對地面路基沉降的分析方法其特征在于，對路基下部地面顆粒進(jìn)行位移監(jiān)測；監(jiān)測范圍為路基下顆粒，又由于排列有交錯現(xiàn)象，所以取11個顆粒進(jìn)行檢測；由于煤層在所建模型中與巖層接觸長度約為186m，假設(shè)7種采空區(qū)長度進(jìn)行分析；假設(shè)1不包括在186m內(nèi)，采空區(qū)長度假設(shè)2～7分別為30、60、90、120、150、186m。
附圖說明
圖1巖層圖
具體實施方式
1工程背景
某煤礦處于遼寧調(diào)兵山境內(nèi)，四周城市均距離比較近。根據(jù)地質(zhì)勘探和采掘工作實踐確定地下存在大范圍火成巖。該礦為提高產(chǎn)量，在礦區(qū)周圍進(jìn)行勘探得在某公路下方有一煤層。但煤層構(gòu)造復(fù)雜：傾斜在35°～45°之間，平均厚度接近10m，有古代巖層皺褶形成的背斜和向斜構(gòu)造。由于地表有高速公路通過，不具備露天開采條件，且還應(yīng)保證在達(dá)到充分開采后地表沉降滿足公路運行要求。
地質(zhì)剖面剖面尺寸高250m×寬500m，巖層形狀極不規(guī)則，相關(guān)巖層參數(shù)如表1所示。
為解決上述提出的實際工程問題，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，對于高速公路一般路段工后長期沉降最大值為0.3m，所以這里也規(guī)定充填開采穩(wěn)定后引起路基范圍內(nèi)地面沉降量不超過0.3m。路基地面寬26.5m(即監(jiān)測地面沉降范圍)。前期分析以表明如使用正常開采方式，那么采空區(qū)長度中靠巖層1一側(cè)30m左右，地面路基即產(chǎn)生0.3m沉降，煤層仍向前延伸160m左右(垂直圖1方向延伸較長)，現(xiàn)考慮充填開采方式的可行性。
表1上覆巖層中各層參數(shù)
2模型建立
由于模擬的巖層構(gòu)造復(fù)雜，模擬過程中使用下落法構(gòu)建，并使用了擬合等手段，這里只對下落法做簡單介紹。
考慮到巖土體形成過程是由于風(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)過自然壓實的過程。按照該思想構(gòu)建了“下落法(Particles FallMethod，PFM)”來構(gòu)造初始應(yīng)力場。PFM是通過使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實的過程構(gòu)造模型的。
就本例而言對顆粒粒徑R，由于模擬的巖層較完整強度大，且考慮到計算性能的影響，巖層顆粒粒徑均取2.5m。煤層位于巖層1與巖層2的背斜至向斜之間。建模時煤層與巖層1共同建立，后對煤層范圍內(nèi)顆粒進(jìn)行參數(shù)修改，對煤層進(jìn)行表示。對于充填體的模擬方法為將煤顆粒粒徑按照充實率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬性，從而表現(xiàn)充填體。充填體擬采用矸石，物理性質(zhì)為：密度1.9t/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：充實率為0.7，系數(shù)為0.8879；充實率為0.8，系數(shù)為0.9283；充實率為0.9，系數(shù)為0.9655。
對路基下部地面顆粒進(jìn)行位移監(jiān)測。監(jiān)測范圍為路基下顆粒(id，由圖1左向右)：52084、54462、52913、53175、52556、50730、51303、54067、51740、52385、52861，顆粒直徑為2.5m，又由于排列有交錯現(xiàn)象，所以取11個顆粒進(jìn)行檢測。路基對模型的影響極小，并未在圖形中進(jìn)行建立。由于煤層在所建模型中與巖層1接觸長度約為186m，假設(shè)7種采空區(qū)長度進(jìn)行分析。假設(shè)1不包括在186m內(nèi)，采空區(qū)長度假設(shè)2～7分別為30、60、90、120、150、186m。
3模擬結(jié)果分析
根據(jù)實際工程問題需要和上述模型的構(gòu)建，問題的解決思路可表述為：根據(jù)7種采空區(qū)假設(shè)長度和3種充實率組合情況下，對該巖體模型進(jìn)行模擬，監(jiān)測路基下部地面處11個顆粒的沉降量，如有一個顆粒沉降量超過規(guī)定的0.3m，那么對應(yīng)的采空區(qū)長度和充實率就認(rèn)為不適合該充填開采。
3.1上覆巖層運移及應(yīng)力分析
對于3種充實率而言，0.7的充實率下巖層運移和應(yīng)力更具有代表性(穩(wěn)定性最差)，所以這里僅對該情況下7種采空區(qū)長度的模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。模擬過程中巖層移動和應(yīng)力分析如下：
對于巖層移動而言，采空區(qū)(充填后采空區(qū))較小時，主要變形影響區(qū)豎直方向發(fā)展較快。該階段由于巖層2的向斜構(gòu)造，其下部受拉破壞有助于塌落形成，上部受壓抑制塌落形成。隨著采空區(qū)長度增加，主要變形影響區(qū)穿過層2發(fā)展至層3大部，并接近層4，在層3中有橫向發(fā)展趨勢。這是由于層4為侵入型火層巖，巖體較完整且強度較大，這時其下巖層運移不足以使層4發(fā)生破壞或塌落。下一步主要變形影響區(qū)豎向發(fā)展到巖層4，橫向繼續(xù)發(fā)展，但受到巖層4的阻礙并未繼續(xù)向地表發(fā)展。下一階段由于巖層2,3移動較大，使巖層4右側(cè)發(fā)生較大變形，對應(yīng)的巖層4在主要變形影響區(qū)內(nèi)壓力分布減小，拉力分布增加，這時巖層4右側(cè)部分相當(dāng)于懸臂梁。由于巖層4整體發(fā)生傾斜，導(dǎo)致上覆巖層5沉降量較大，橫向發(fā)展明顯，直至達(dá)到穩(wěn)定。在上述過程中主要影響區(qū)以包括路基下部地表，所以采空區(qū)長度最長為假設(shè)4的長度90m(充實率為0.7)。
對于應(yīng)力變化而言，期初的假設(shè)1,2的采空區(qū)長度對上覆巖層影響很小，巖層5在應(yīng)力方面幾乎沒發(fā)生改變，松散堆積區(qū)在這個期間逐漸變大。松散堆積區(qū)(同前)增大已不明顯，其區(qū)內(nèi)及其上覆巖層壓應(yīng)力較小，拉應(yīng)力增加。松散堆積區(qū)向采空區(qū)的方向移動，同時其周圍樹狀壓力分布以逐漸發(fā)展成左右環(huán)抱松散堆積區(qū)的壓應(yīng)力分布。下一步開始這樣的壓應(yīng)力分布就明顯了，松散堆積區(qū)面積基本不變，其上覆巖層4,5中的拉壓應(yīng)力以橫向分布為主，巖層4中拉應(yīng)力增加明顯。松散堆積區(qū)位置和大小已穩(wěn)定，且并未發(fā)展到巖層4。盡管其存在松散堆積區(qū)，由于上覆火層巖4的存在，路基沉降量受到了限制。
3.2不同充實率下的采空區(qū)長度確定
對于3種充實率情況下，路基下地表沉降的11個顆粒監(jiān)測結(jié)果。當(dāng)充實率為0.7時，可滿足假設(shè)1～4的要求，即最大采空區(qū)長度為90m；當(dāng)充實率為0.8時，可滿足假設(shè)1～5的要求，即最大采空區(qū)長度為120m；當(dāng)充實率為0.9時，可滿足假設(shè)1～7的要求，即最大采空區(qū)長度為186m。另一方面，充實率從0.7至0.8時，地表沉降較少并不明顯，僅減少了10％～15％，采空區(qū)允許長度只增加了30m；而從0.8至0.9時，地表沉降減小則明顯得多，減少了75％，采空區(qū)允許長度可覆蓋煤層長度?？梢娫诓煽諈^(qū)長度相同時，地面沉降量與充實率并不是比例關(guān)系，而是加速增長。
綜上所述，便可以根據(jù)巖層移動和應(yīng)力分析得出路基下地表沉降量，從而選擇可行的充填開采方案。