基于FLAC3D的复杂空区对地表公路影响研究

胡建军

(北京矿冶研究总院，北京 100160)

矿山有用矿体被采出后，采区周边岩体应力将重新分布，此过程若发展到地表，则可能发生连续或非连续的地表变形，给地表建、构筑物带来安全隐患[1-3]。目前已有的开采沉陷理论研究方法很多，如概率积分法[4]、典型曲线法[5]、剖面函数法[6]、拱形冒落论[7]、悬臂梁冒落论[8]、砌体梁平衡论[9]等，但是开采过程中复杂的地质条件,以及众多多变的影响因素，是此类方法无法考虑的，特别是受复杂空区群影响下的地表移动变形，以上研究方法难以给出较为合理的解答。随着岩石力学的发展以及计算方法的不断进步，数值模拟为岩石力学研究和工程设计提供了重要的依据，FLAC3D是基于连续介质理论的有限差分软件，其可以考虑岩层及断层等地质因素、矿山开采顺序、复杂空区形态等众多因素[10-12]，对于研究复杂空区群对地表移动变形影响具有很好的辅助作用，该研究方法对于研究地表移动变形具有重要的借鉴意义。

1 工程背景

某矿矿岩成因类型为层控接触变质类型的似层状亚型，经变质作用蚀变而成。矿区位于海拔30～220m的丘陵低山环抱的盆地中，地势东高西低，区内断裂有十二条，其中规模较大的断裂为F8、FD12、FD14，均为正断层，倾角60～80°，垂直断距12～26m，对矿体有切割，前期开采留有保安矿柱，未切割采空区，矿体倾角10°左右，顶底板均为大理岩。矿区地面建、构筑物主要有某高速公路及某国道从矿区东西两侧平行穿越矿区地表。

该矿一直采用全面空场采矿法开采，井下不划分矿块，不开掘采切巷道，在水平运输两侧推进。采场内留有规则或不规则矿柱，矿柱直径大于3m，间距8～10m，局部顶板破碎处，用废石水泥砂浆垒垛加强支撑，空顶面积80～100m2，预留的不规则矿柱形成了地下复杂空区(图1)，空区围岩破坏、变形可能会发展到地表，造成地表建构筑物破坏，形成隐患。

图1 矿区矿柱分布图

2 数值模型

矿区目前开采现状采空区水平占地面积约420m×400m，随矿体走势分±0，-20，-40三个水平，为了保证模拟计算的快速、准确，选取平行斜井方向为X方向，水平面内垂直斜井方向为Y方向，定义竖直向上为Z方向，建立数值模型。为了更加真实的反映围岩环境，向矿区水平方向各增加了约400m，自目前采空区底板向下延伸160m，形成了尺寸为1220m×1200m×260m的计算模型，其中重点研究部位是矿区位置，如图2所示。

当空区距地表较浅时，车辆荷载作用会在一定程度上加重地表沉降，该矿采空区平均埋深约100m，假设公路行驶一辆载重20t货车，以集中荷载考虑，根据文献[13]述，集中荷载作用下地基扰动深度为D=(30p/πγ)1/3，取p=20t，空区上覆岩土体平均容重取γ=25000kN/m3，计算得D=4.2m，即单辆车对岩体作用深度很有限。考虑到公路车辆为瞬时移动荷载，而且其对下方岩体作用又很有限，为研究方便，此次模型暂不考虑地表车辆荷载。

图2 数值计算模型

模型四个侧面设置位移边界条件，限制水平移动，模型底面限制垂直移动。矿山目前开采现状南北共有三个大采区，分±0，-20，-40三种水平。根据采空区划分范围数值计算的细化模型如图3所示，岩土体及断层力学参数如表1、表2所示。

图3 采空区模型平面分布与地表公路对照图

表1 岩体力学参数

表2 断层力学参数

根据现场取样和岩石力学试验结果，研究的岩体以角砾岩和大理岩为主，属于弹塑性材料，计算中采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏。

式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，c，φ分别是粘结力和摩擦角。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则(σ3≥σT)判断岩体是否产生拉破坏。

3 地表移动变形分析

从岩体应力及破坏状态看，在开采现状下，矿柱及顶板岩体受力状态基本合理，矿柱所受最大主应力均小于其抗压强度，处于稳定状态，但在一些小截面柱和带尖角的矿柱处存在应力集中现象，应采取一些保护措施，以防其风化导致有效承担面积减小而发生矿柱内应力增大，从而造成失稳破坏，增大地表移动变形。

在矿区范围内，高速公路和国道横穿矿区地表，矿层开采引起的地表沉降可能会影响到这两条公路的正常运行，空区可能对地表产生连续性或非连续性位移变形，采空区可对地表公路产生以下宏观变形模式[14]：①产生陷坑、台阶；②路基、路面局部开裂；③坡度发生变化，弯道处易发生事故；④路面发生波浪起伏；⑤路面与路基间发生局部离层。

图4是矿区范围内地表沉降图，从图中看出，矿区的开采对地表移动变形产生了一定程度的影响，由于FD12断层的存在及空区的复杂不规则分布，其影响范围并不关于矿区对称分布。在南Ⅲ-20-1采区顶板局部破坏的影响下，地表沉降中心发生在南Ⅲ-20-1采区靠近FD12断层部位的正上方，但沉降值不大。数值计算结果表明，地表大部分区域沉降值不到1mm，最大值控制在4mm之内。

图4 矿区地表沉降图(单位：mm)

从矿区沉降等值线图可以看出，地表变形后出现三个沉降中心，分别位于南Ⅲ-20-1采区，南Ⅲ±0-1采区和南Ⅲ-40采区附近的正上方；沉降中心远离高速公路与国道。由于南Ⅲ-20-1采区矿柱尺寸较小，且开采面积较大，又受附近FD12断层的影响，使得这一区域地表沉降量最大，变形相对严重。

国道与高速公路竖向变形曲线如图5所示，可以看出沉降值不大，最大值仅为3mm，不影响公路运行。但因采空区上方公路两侧地表出现回弹，易使路面受拉伸开裂、压缩隆起，路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层。图6为垂直于国道与高速公路方向的地表沉降曲线，可以看出，采空区引起纵向沉降量值不大，但不均匀沉降明显，需注意单向倾斜使公路坡度发生变化，导致行驰车辆重心偏移。两条公路远偏离于沉降漏斗中心位置，即两条公路没有从地表沉降最严重的地方通过。

综上所述，采空区对地表影响值不大，不影响公路运行，但采空区引起的公路坡度变化，易导致行驰车辆重心偏移；变形不协调导致路面压缩隆起，发生波浪起伏及路面与路基间局部离层现象值得关注。

图5 公路中心线沉降曲线

图6 垂直公路断面地表沉降曲线

4 结论

1) 对空区群现状形成过程进行模拟反演表明，空区开采后地表沉降量较小，不影响公路正常运行，但采空区引起的公路坡度变化、波浪起伏及路面与路基间局部离层现象应予以重视。

2) 受矿山开采空区群复杂分布的特点影响，引起的地表沉降是不均匀的，地表公路受其影响下易发生路面起伏、坡度变化等危害。

3) 利用三维数值模拟软件可以方便的模拟复杂空区开采，研究复杂空区影响下地表移动变形规律是可行的，能够较为准确的预测地表移动变形情况，可供类似研究借鉴。

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