非平行视角下工作面开采对公路的影响分析

王 萌，高 远，范咪娜

（1.山东正元数字城市建设有限公司，山东 胶州 266300）

随着世界能源对煤炭需求的增长以及国家基础设施建设的推进，我国基础设施建设穿过矿区工作面已不可避免[1-4]。然而基础设施建设（本文特指公路）与采矿工作面推进一般不会是同步进行，若先进行工作面开采，则公路建设需要对已经产生地表下沉的土地进行修复；若工作面滞后于公路建设，则后期需对公路建设进行垫高或是增加抗变形处理。然而不论上述何种方式，均需评定煤矿工作面开采对公路的移动变形影响[5]。由于煤矿开采对工作面要求的特殊性，除非重大建（构）筑物或不允许变形的设施，否则工作面开采带来的地表沉陷现象后期可以通过修护和赔偿的方式对受损建（构）筑物进行补贴，因此当二者发生冲突时，只能由企业协调政府，妥善处理后续工作。然而，公路作为线性构筑物的代表，公路设计时并不正好通过工作面正上方，因此在研究工作面开采对公路变形影响机理时不得不考虑工作面与公路呈一定角度时的地表移动变形规律。本文采用数值模拟的手段，研究了工作面布置于公路在不同方向下的移动变形规律，其下沉数据可以指导公路后期修护，具有一定的工程实践意义。

1 实验方案

考虑到在实际工程中，线性构筑物不会与工作面直接平行或垂直，往往具有一定的夹角，因此为了研究不同夹角对公路变形破坏的影响，在本次模拟实验中，通过改变公路与工作面的夹角来模拟研究工作面推进方向对公路变形破坏的影响，夹角变化为0°～90°，数值模拟中选取几个典型的角度，与工作面中心错开一定的位置，防止最大下沉数值相等，因考虑到实地实验的不可行型，因此采用室内数值实验的方法，模拟设计工作面与公路之间的夹角分别为20°、45°和80°，其相对工作面位置如图1所示。

图1 工作面走向方向与公路不同夹角模型图

2 数值模拟及结果分析

按照上述实验方案，利用FLAC3D数值模拟软件研究工作面开采对路面的变形影响[6]，采用摩尔库伦本构模型，对公路底部施加位移约束[6]，公路横向方向、路面表层及边界不施加约束；模型底板在竖向、水平方向施加位移约束条件，模型顶部为自由边界，自应力为模型初始应力。模型按照水平煤层进行建立，建立的模型长1 200 m、宽1 200 m、高400 m，网格平面尺寸为10 m×10 m，便于工作面推进计算。初始模型建立完毕后，利用FLAC3D软件中的Fish语言编制地表变形提取程序，提取工作面开挖后的地表下沉和水平变形数据，为直观显示不同推进距离下的下沉情况，以模型中心（600 600 20）为截面中心点，沿公路走向方向分别提取数据，并绘制相关曲线，如图2、3所示。

图2 不同方向夹角地表下沉

在提取地表下沉和水平变形数据时，由于20°夹角和45°夹角是贯穿整个模型的，即x值是从0变化到1 000，而45°夹角和80°夹角是y值从0变化到1 000，这是由工作面和公路夹角不同所致，在方向为80°时，由于其横坐标并没有完整的穿过走向方向，因此其数值由400～600 m变化，而不是0～1 000 m变化，因此在绘制公路下沉和水平变形值时，将二者分开绘制，以便最大程度的显示数值变化差别。为了更直观的观察数值变化、分别二者之间的关系，将下沉和变形极值对比极值统计，如表1所示。

表1 不同夹角极值对比统计

开采沉陷对公路的损害评价指标分别有地表下沉、水平移动、水平变形、倾斜以及斜率[7]，由于移动和倾斜的特殊性，其沉陷造成的地表效果往往是均匀的，对于公路这种线性构筑物来说，起影响的变形指标为下沉和水平变形[8]，因此本文中，作者选取了下沉和水平变形这两个指标。可以看出公路受沉降变形影响的范围随着工作面走向方向和公路沿线方向之间夹角的增大而不断减小，整体呈线性减小趋势为1 mm/°，而水平变形则没有显现出较强的相关性，20°与45°近似相等，80°时最大，达到5.9 mm/m，从开采沉陷的角度来看，此时，公路已发生较大的变形，应做好及时处理。

鉴于对路面变形破坏的评估指标主要是水平变形，结合图3和表1可以看出：当线路走向与工作开采前进方向夹角为20°的水平变形大于45°夹角的情况，与此同时80°夹角的水平压缩变形极值远大于20°和45°，且三者极值变化并非是线性关系，而本次的模拟实验仅做了3个夹角的对比实验，单从数值变化来看，水平变形值并不是随着夹角的变化而均匀变化，说明水平变形在两者变化0°～90°夹角之间存在极小值，预估在50°～60°之间。因此公路在设计时，可以刻意将工作面推进方向和公路方向设置为60°左右，以最大程度的减小开采沉陷水平变形对公路的损害。在用概率积分法计算评价指标时，默认为地表移动盆地为均匀性而不存在突变，因此公路地表下沉一般为均匀下沉，若下沉已对公路使用造成影响，应及时采取公路垫高等修护措施。对于水平变形数据来说，由于公路在建设施工前期已经考虑了一定程度的变形，因此在满足公路变形指标的情况下，可以认为公路是安全可靠的。若在施工建设开始前，已知地下有工作面推进，应在公路施工时，适当多使用抗变形材料，以抵抗开采沉陷带来的水平变形同时减少公路养护费用。

图3 不同方向夹角地表水平变形

3 结 语

本文通过数值模拟的方法，分析了开采工作面与公路在不同夹角情况下的移动变形特征，研究结果认为：

1）随着工作面走向与公路沿线方向之间的角度增大，公路的地表下沉和水平变形均发生变化，下沉极值随着角度的增大而逐渐减小，整体呈线性减小趋势为1 mm/°，而水平变形则没有显现出较强的相关性。

2）当工作面与公路夹角为20°和45°时，其水平变形值近似相等，80°时最大，达到5.9 mm/m，认为0°～90°夹角之间存在极小值，预估在50°～60°之间。了解工作面与公路不同方向的地表下沉变形规律可在一定程度上指导公路设计，为实际工程建设提供依据。

3）非平行视角，工作面开采对公路移动变形的影响同样适用与其他线性构筑物相参照。