專利名稱：高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害整治技術(shù)領(lǐng)域，具體的講涉及高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：
采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，礦體被采出后，自頂板巖層向上形成三帶垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶，帶來(lái)一系列環(huán)境巖土工程問(wèn)題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少、農(nóng)田減產(chǎn)等，給礦區(qū)工程建設(shè)留下很大隱患。對(duì)于在采空區(qū)修建高速公路，只考慮礦山開(kāi)采沉陷是不夠的，這是因?yàn)椋煽諈^(qū)的穩(wěn)定并不意味著高速公路的穩(wěn)定，高速公路的修建和運(yùn)營(yíng)將對(duì)已穩(wěn)定的采空區(qū)產(chǎn)生二次干擾，將引起上伏巖體的進(jìn)一步變形，因此，采空區(qū)的開(kāi)采沉陷的最終結(jié)果其實(shí)是高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性分析的初始狀態(tài)。
采空區(qū)地表可能產(chǎn)生連續(xù)性或非連續(xù)性位移變形，對(duì)高速公路的危害主要有如下幾個(gè)方式采空區(qū)的失穩(wěn)冒落，使地表劇烈變形，產(chǎn)生陷坑、臺(tái)階等；路基沉陷，造成路基、路面局部開(kāi)裂，使承載力下降，使用條件降低，或造成路面低洼積水破壞；傾斜使坡度發(fā)生變化，導(dǎo)致行駛車輛重心偏移，在彎道處最易發(fā)生事故；水平變形和曲率使路面受拉伸開(kāi)裂、受壓縮隆起，使路面發(fā)生波浪起伏及路面與路基間的局部離層。
在采空區(qū)修建高速公路前，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行一系列的工作，包括(1)采空區(qū)的勘探。探明下伏房柱式采空區(qū)的位置、大小、形狀、上伏巖體力學(xué)特性等；(2)采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)?；诓煽諈^(qū)的探測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)采空區(qū)的狀態(tài)及可能對(duì)高速公路的危害；(3)采空區(qū)的治理。針對(duì)采空區(qū)的狀態(tài)，提出采空區(qū)的治理措施；(4)采空區(qū)的治理質(zhì)量控制。對(duì)采空區(qū)治理的施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證施工質(zhì)量。其中高速公路下伏房柱式采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在我國(guó)乃至國(guó)外還是一個(gè)較新的難題，其評(píng)價(jià)技術(shù)還很不完善，所積累的經(jīng)驗(yàn)及可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，尚未形成一套較完整的，操作性較強(qiáng)的高速公路下伏房柱式采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)體系。目前還沒(méi)有關(guān)于高速公路下伏房柱式采空區(qū)處治技術(shù)規(guī)范，其采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作主要沿用其它相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種較全面地考慮了高速公路與采空區(qū)的兩方面，及其它們之間的相互作用，較完善準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，其特征在于該方法采用如下步驟進(jìn)行， 步驟1 通過(guò)進(jìn)行深厚比初步評(píng)價(jià)開(kāi)始對(duì)地表局部塌陷檢算，若深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能；若深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能； 步驟2 在步驟1的基礎(chǔ)上，當(dāng)深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能時(shí)對(duì)地表整體下沉進(jìn)行檢算，首先進(jìn)行采空區(qū)煤柱強(qiáng)度安全進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷煤柱是否安全； 當(dāng)深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能時(shí)，看頂板上面有無(wú)上覆松散地層，若有上覆松散地層則需要對(duì)頂板安全性進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷頂板是否安全； 步驟3 步驟2中若判定煤柱是安全的則進(jìn)行采空區(qū)底板強(qiáng)度檢算、若采空區(qū)底板滿足要求進(jìn)行地表下沉檢算，當(dāng)?shù)乇硐鲁林敌∮谙拗禃r(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定、不需要處理；若判定煤柱、采空區(qū)底板、地表下沉值任一項(xiàng)達(dá)不到要求時(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理； 步驟2中若判定無(wú)上覆松散地層或雖然有上覆松散地層但頂板是安全的則進(jìn)行臨界開(kāi)采深度檢算，若頂板不安全或臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度小于臨界深度則認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理； 步驟4 步驟3中如果臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度大于臨界深度則按照步驟2中深厚比大于或等于40的情況所采用的方法和步驟進(jìn)行處理。
有益效果通過(guò)對(duì)本方案較全面地考慮了高速公路與采空區(qū)的兩方面，及其它們之間的相互作用，較完善準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性。



本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中 圖1本發(fā)明的流程圖； 圖2為頂板安全性驗(yàn)算模型； 圖3為臨界開(kāi)采深度的計(jì)算模型； 圖4為煤柱受力穩(wěn)定性分析模型中煤柱的荷載分配示意圖； 圖5為煤柱受力穩(wěn)定性分析模型中荷載的傳遞示意圖;
具體實(shí)施例方式 如圖1所示 高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，該方法采用如下步驟進(jìn)行， 步驟1 通過(guò)進(jìn)行深厚比初步評(píng)價(jià)開(kāi)始對(duì)地表局部塌陷檢算，若深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能；若深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能； 步驟2 在步驟1的基礎(chǔ)上，當(dāng)深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能時(shí)對(duì)地表整體下沉進(jìn)行檢算，首先進(jìn)行采空區(qū)煤柱強(qiáng)度安全進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷煤柱是否安全； 當(dāng)深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能時(shí)，看頂板上面有無(wú)上覆松散地層，若有上覆松散地層則需要對(duì)頂板安全性進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷頂板是否安全； 步驟3 步驟2中若判定煤柱是安全的則進(jìn)行采空區(qū)底板強(qiáng)度檢算、若采空區(qū)底板滿足要求進(jìn)行地表下沉檢算，當(dāng)?shù)乇硐鲁林敌∮谙拗禃r(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定、不需要處理；若判定煤柱、采空區(qū)底板、地表下沉值任一項(xiàng)達(dá)不到要求時(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理； 步驟2中若判定無(wú)上覆松散地層或雖然有上覆松散地層但頂板是安全的則進(jìn)行臨界開(kāi)采深度檢算，若頂板不安全或臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度小于臨界深度則認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理； 步驟4 步驟3中如果臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度大于臨界深度則按照步驟2中深厚比大于或等于40的情況所采用的方法和步驟進(jìn)行處理。
上述步驟是依據(jù)以下原理和具體檢算公式和方法來(lái)完成的 采空區(qū)對(duì)新建高速公路的危害程度主要取決于地質(zhì)和采礦等因素。如礦床的開(kāi)采深度、采厚、采礦方法、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖巖性及頂板支撐方法等。不同的地質(zhì)采礦條件對(duì)地表沉陷破壞程度差異很大，反映到地表的形態(tài)可歸結(jié)為連續(xù)位移變形和非連續(xù)位移變形兩類。連續(xù)位移變形多發(fā)生在開(kāi)采深度大(深厚比大于40)、開(kāi)采范圍大的條件下。采動(dòng)地表連續(xù)位移變形以連續(xù)沉陷為特征，連續(xù)沉陷一般會(huì)持續(xù)2~5年。非連續(xù)位移變形發(fā)生在開(kāi)采深度較小(深厚比小于40)、開(kāi)采空間較小的條件下。其破壞表現(xiàn)形式為地表出現(xiàn)拉裂裂縫；地表隆起，起伏不平；地表傾斜、扭曲；地表階梯狀、漏斗性塌陷坑等。非連續(xù)破壞以突發(fā)性、隱藏性為特點(diǎn)，沒(méi)有一定的規(guī)律，有時(shí)開(kāi)采后幾十年還會(huì)發(fā)生較大的沉陷破壞，這種情況對(duì)地面建筑物危害極大。
如上所述，地表變形分為連續(xù)位移變形和非連續(xù)位移變形兩類，且非連續(xù)位移變形對(duì)地面建筑物危害大。房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)該結(jié)合房柱式開(kāi)采的特點(diǎn)，以非連續(xù)位移變形評(píng)價(jià)為重點(diǎn)，同時(shí)對(duì)連續(xù)位移變形進(jìn)行檢算。目前高速公路下伏房柱式采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法尚沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn)，工程應(yīng)用中，常側(cè)重于某一方面，或者傾向于采用某一經(jīng)驗(yàn)公式和方法。歸納起來(lái)，房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)一般包括兩方面的內(nèi)容(1)采空區(qū)本身的安全性評(píng)價(jià)；(2)高速公路路基安全性評(píng)價(jià)。同時(shí)還要考慮到采空區(qū)和高速公路的相互作用，即基本穩(wěn)定后的采空區(qū)受到高速公路的施工荷載和運(yùn)營(yíng)荷載作用下可能會(huì)破壞應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起破裂巖體的二次或多次移動(dòng)。
(1)頂板強(qiáng)度檢算 在采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，頂板安全性檢算是最重要的，這是因?yàn)轫敯宓目迓淇赡墚a(chǎn)生地表的突然局部坍陷，給高速公路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。由于上伏巖體的作用，頂板的受力比較復(fù)雜，且頂板的破壞對(duì)高速公路的影響還取決于埋深，特別是上伏巖體的巖性。目前，有幾種常用的頂板安全性檢算方法。
Whittaker法 Whittaker建議了一種檢算頂板穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)力學(xué)法。該方法將頂板當(dāng)作簡(jiǎn)支梁處理，并承受高速公路荷載、上伏松散地層及巖層本身的重量產(chǎn)生的均布荷載，如圖2所示，其計(jì)算公式為

(2-2) 其中，T為頂板厚，γi為上伏巖體中每層巖體的容重，g為重力加速度，hi為每上伏巖體中每層巖體的高度，q0為高速公路的施工或運(yùn)營(yíng)荷載，一般取200KN/m2，s為煤柱間距，t為采厚(開(kāi)挖煤層厚度)。
本方法中的頂板安全性評(píng)價(jià)是通過(guò)比較頂板中的最大拉應(yīng)力和巖體的抗拉強(qiáng)度，得出安全系數(shù)判定頂板的安全性。實(shí)際計(jì)算時(shí)頂板厚度的確定視情況而定，一般取巖層的厚度?？梢钥闯?，本方法比較適合于較完整巖層頂板且?guī)r層上方地層為松散的無(wú)粘結(jié)力的沙粒土的情況。
(2)臨界開(kāi)采深度H0 《巖土工程手冊(cè)》建議的方法 《巖土工程手冊(cè)》建議引入臨界開(kāi)采深度來(lái)判定頂板的安全性、該方法考慮采空區(qū)上方巖體在重力G作用下而下沉，兩邊巖體則施以摩擦力F阻止該巖體的下沉，如圖3所示。
當(dāng)頂板上方巖體恰好能保持自然平衡而不塌陷時(shí)的上伏巖體高度稱之為臨界開(kāi)采深度H0，由下式計(jì)算

(2-3) 其中φ為上方巖體的加權(quán)內(nèi)摩擦角。
如果考慮新建高速公路的運(yùn)營(yíng)荷載(分布荷載q0)，公式(2-3)則變?yōu)?

(2-4) 當(dāng)采深H<H0時(shí)，頂板不安全；H0<H<1.5H0時(shí)，頂板安全性差；H>1.5H0時(shí)，頂板安全。本方法適用于開(kāi)采面積小，上伏巖層可形成冒落拱的柱式采空區(qū)。
(3)煤柱和底板強(qiáng)度檢算 由于煤體的開(kāi)挖，破壞了巖體中原有的力學(xué)平衡，原由被挖出的煤體承受的荷載被轉(zhuǎn)移到煤柱上，并傳到底板上，如圖4、5所示:圖5中A為頂板、B為底板、C為煤柱；煤柱的安全性就是檢算煤柱強(qiáng)度是否能承受作用在煤柱上的荷載；底板的安全則是檢算底板是否有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受煤柱傳遞來(lái)的應(yīng)力。
本檢算中的荷載較明確，可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行，其關(guān)鍵是計(jì)算出煤柱中的平均豎向應(yīng)力，并與煤柱及底板的強(qiáng)度比較，得出其安全系數(shù)。從圖4、5中可看出，其上伏巖體的重量由煤柱承受，每個(gè)煤柱中的平均豎向應(yīng)力可由下式計(jì)算。


(2-5) 其中，n為上伏巖體的巖層層數(shù)，w為煤柱邊長(zhǎng)。
煤柱強(qiáng)度與煤柱形狀密切相關(guān)，其計(jì)算主要依賴工程實(shí)踐中收集相關(guān)數(shù)據(jù)并提煉成經(jīng)驗(yàn)公式。針對(duì)不同形狀的煤柱，各國(guó)學(xué)者提出過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式，如南非學(xué)者Salamon對(duì)方形煤柱的強(qiáng)度進(jìn)行過(guò)大量的研究工作，并提出了煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式

(MPa) (2-6) 煤柱的安全系數(shù)由下式計(jì)算

(2-7) 底板的安全系數(shù)由下式計(jì)算

(2-8) 其中Rb為底板巖體的強(qiáng)度。
為保證煤柱及底板的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。
(4)局部塌陷檢算 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》建議的方法 據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD30-2004)》中的巖溶地區(qū)路基中的溶洞頂板的安全厚度(7.5.3)的規(guī)定“當(dāng)?shù)叵露词翼敯鍘r層未被節(jié)理裂隙切割或雖被切割但膠結(jié)良好時(shí)，其頂板的安全厚度可按照厚跨比法確定。當(dāng)頂板的厚度與路基跨越洞室的長(zhǎng)度之比大于0.8時(shí)，洞室的頂板巖層可不作處理”。這一方法主要適合于單跨采空區(qū)且頂板巖體節(jié)理不發(fā)育的情況。
鐵路下采煤的經(jīng)驗(yàn) 地表局部塌陷一般發(fā)生在淺部開(kāi)采情況下，特別是高速公路施工及運(yùn)營(yíng)時(shí)各種荷載的誘發(fā)，發(fā)生塌陷。但地表突然塌陷不易精確預(yù)測(cè)，一般都通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和工程類比方法確定。根據(jù)鐵路下采煤的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)深厚比(采深和采厚之比)超過(guò)30時(shí)，一般地表不會(huì)出現(xiàn)局部坍塌。
高速公路經(jīng)驗(yàn) 采空區(qū)和高速公路的相互作用主要考慮的是基本穩(wěn)定后的采空區(qū)受到高速公路的施工荷載和運(yùn)營(yíng)荷載作用下可能會(huì)破壞原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起破裂巖體的二次或多次移動(dòng)。采空區(qū)破裂巖體的二次或多次移動(dòng)的發(fā)生與否與采深及上伏巖體巖性有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)深厚比大于40時(shí)，采空區(qū)大都是安全的。
(5)地表下沉檢算 品字形房柱式開(kāi)采引起的地表下沉的計(jì)算非常復(fù)雜，其不但與埋深和采空區(qū)的尺寸和形狀有關(guān)，而且與上伏巖體中的巖層巖性和力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，目前還沒(méi)有可靠的經(jīng)驗(yàn)公式可以借用，多通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到。
綜上本方法針對(duì)高速公路的兩種可能破壞方式，從地表局部塌陷和上伏巖體整體下沉兩方面進(jìn)行檢算，并優(yōu)先考慮高速公路中最關(guān)心的地表局部塌陷進(jìn)行檢算，在滿足地表局部塌陷檢算要求的基礎(chǔ)上，再對(duì)上伏巖體整體下沉進(jìn)行檢算。
在地表局部塌陷檢算中，首先采用深厚比進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，當(dāng)深厚比大于或等于40時(shí)，認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能，轉(zhuǎn)而進(jìn)行上伏巖體整體下沉檢算。如果深厚比小于40時(shí)，則有地表局部塌陷的可能。為確定其可能性，需做進(jìn)一步的檢算。當(dāng)頂板巖層較完整且?guī)r層以上上伏巖層為松散地層時(shí)，采用式(2-2)計(jì)算頂板拉應(yīng)力對(duì)頂板的安全性進(jìn)行檢算。當(dāng)頂板不安全時(shí)，則認(rèn)為采空區(qū)不穩(wěn)定，需進(jìn)行處理。如果沒(méi)有上伏松散巖層或有上伏松散巖層但上述頂板檢算為安全時(shí)，對(duì)表征高速公路和采空區(qū)的相互作用的臨界開(kāi)采深度(采用公式2-4計(jì)算臨界開(kāi)采深度)進(jìn)行檢算。如果不安全，則認(rèn)為采空區(qū)不穩(wěn)定，需要處理。否則，轉(zhuǎn)向上伏巖體整體下沉檢算。
在上伏巖體整體下沉檢算中，針對(duì)影響上伏巖體整體下沉的三個(gè)方面煤柱(公式2-7)、底板(公式2-8)以及地表下沉(通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算獲得)進(jìn)行檢算，其中任何一種安全檢算不通過(guò)時(shí)，則認(rèn)為采空區(qū)不穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，其特征在于該方法采用如下步驟進(jìn)行，
步驟1
通過(guò)進(jìn)行深厚比初步評(píng)價(jià)開(kāi)始對(duì)地表局部塌陷檢算，若深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能；若深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能；
步驟2
在步驟1的基礎(chǔ)上，當(dāng)深厚比大于或等于40認(rèn)為無(wú)地表局部塌陷可能時(shí)對(duì)地表整體下沉進(jìn)行檢算，首先進(jìn)行采空區(qū)煤柱強(qiáng)度安全進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷煤柱是否安全；
當(dāng)深厚比小于40認(rèn)為存在地表局部塌陷可能時(shí)，看頂板上面有無(wú)上覆松散地層，若有上覆松散地層則需要對(duì)頂板安全性進(jìn)行檢算以此為依據(jù)判斷頂板是否安全；
步驟3
步驟2中若判定煤柱是安全的則進(jìn)行采空區(qū)底板強(qiáng)度檢算、若采空區(qū)底板滿足要求進(jìn)行地表下沉檢算，當(dāng)?shù)乇硐鲁林敌∮谙拗禃r(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定、不需要處理；若判定煤柱、采空區(qū)底板、地表下沉值任一項(xiàng)達(dá)不到要求時(shí)認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理；
步驟2中若判定無(wú)上覆松散地層或雖然有上覆松散地層但頂板是安全的則進(jìn)行臨界開(kāi)采深度檢算，若頂板不安全或臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度小于臨界深度則認(rèn)定下伏房柱式采空區(qū)不穩(wěn)定、需要處理；
步驟4
步驟3中如果臨界開(kāi)采深度檢算結(jié)果顯示開(kāi)采深度大于臨界深度則按照步驟2中深厚比大于或等于40的情況所采用的方法和步驟進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，該方法包括對(duì)地表局部塌陷檢算，對(duì)地表整體下沉進(jìn)行檢算，判斷煤柱是否安全；看頂板上面有無(wú)上覆松散地層，采空區(qū)底板強(qiáng)度檢算、臨界開(kāi)采深度檢算，通過(guò)對(duì)本方案較全面地考慮了高速公路與采空區(qū)的兩方面，及其它們之間的相互作用，較完善準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)高速公路下伏房柱式采空區(qū)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)E02D1/08GK101806054SQ20101013814
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者肖均, 卿三惠, 全孝, 舒亮 申請(qǐng)人:中鐵二局股份有限公司, 陜西榆林榆神高速公路有限公司