西马矿区公路下开采的数值模拟

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1、http://www.paper.edu.cn西马矿区公路下开采的数值模拟1121苏仲杰，孙琦，王猛，关月洁1辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新（123000）2辽宁工程技术大学资源与环境学院，辽宁阜新（123000）E-mail：Suzhong_jie@163.com摘要：本文研究了地下煤层开采与地表移动和变形的关系，分析了地表移动和变形对高速公路的影响，根据西马矿的地质采矿条件对各种可行的采煤方法进行了分析，并利用有限元分析软件ADINA对地表岩层的移动和沉陷进行了数值模拟。关键词：公路下采煤；开采沉陷；数值模拟；ADINA中文分类号：TU4781.引言高速公

2、路下采煤是建筑物下采煤的实例。高速公路是整体延伸长度大、服务年限长、行车速度高的特殊线型构筑物。在高速公路下开采时，路基的承载能力与稳定性受开采沉陷变形的影响较大，如地表过度沉陷会导致地面低洼长期积水、破坏;沉陷造成的倾斜会导致行驶车辆重心偏移，特别是在弯道位置对高速行驶的车辆危害更大;水平变形和移动使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，路面产生波浪起伏，路面或路基中产生局部离层破坏;路面的波浪起伏可能导致高速行车腾空，导致翻车事故等等。因此在高速公路下采煤就需要设计合理的方案，既要保证煤炭的顺利采出，也要保证高速公路的使用。2.工程概况西马煤矿位于辽宁省灯塔市西马峰镇，为第四系

3、厚松散强含水层覆盖的隐伏向斜井田。面积30平方公里，其中含煤面积25平方公里，探明储量7821.0万吨，可采储量4775.2万吨。煤矿井地理位置在沈阳与辽阳之间，北距沈阳56公里，灯塔13公里，南距辽阳10公里，东有长大铁路，西有202国道，沈大高速公路纵贯井田中心，造成大量压煤，并对采煤引起的地表沉陷提出了严格要求，给煤矿生产带来极大影响。井田含煤层7煤、12煤、13煤，煤层平均厚为2米，可采煤层为12煤，系下部主要可采复煤层，上距3煤89米，由1~8个夹石层组成，最大全层厚（包括夹石）7.95米，最小厚0.59米，纯煤厚为0.59~6.18米，平均煤厚为2米，分煤层1

4、~9层，夹石层总厚度0.05~3.13米。可采煤层厚度为0.32~6.05米，平均煤层厚度为2米，分煤层为1~7层，夹石最多6~7层最大厚度1.34米，一般多在0.50米以内，该煤层稳定。3.高速公路允许移动和变形值目前国内外对公路下开采允许变形值尚未做过专门的深入研究。与此有关的规程有我国［1］原煤炭部1986年颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,而［2］建设部发布的《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)、交通部发布的《公路路基施［3］工规范》（JTJ033—95）中没有关于公路下开采或采空区地表建筑地基基础设计的内容。［4］交通

5、部发布的《公路路基设计规范》（JTGD30—2004）对软土地基公路工后允许沉降（下沉）做了如下规定：-1-http://www.paper.edu.cn表1公路允许工后沉降表工程位置桥台与路堤相邻涵洞、通道处一般路堤道路等级处高速公路、一级公路≤0.10m≤0.20m≤0.30m二级公路≤0.20m≤0.30m≤0.50m［5］2005年，山西交通厅提出以下变形值允许范围：（1）水平长度允许变形值，简称水平变形（ε）：ε≤±2.0（mm/m）（2）垂直剖面允许变形值，包括倾斜（i）和曲率（k）：i≤±3.0（mm/m）2k≤±0.2(mm/m)本文结合以上各种资料的要求

6、，采用下列方案为允许移动和变形值：水平变形ε≤±2.0（mm/m），倾斜i≤±3.0（mm/m），2曲率k≤±0.2(mm/m)，下沉w≤0.3m4.条带开采方案的提出［6］条带开采设计主要包括三个步骤：（1）采出宽度b确定理论研究与国内外条带法开采实践表明，条带法开采宽度一般为开采深度的1/4至1/10，即b=(0.1～0.25)H。（2）留设条带煤柱宽度a的确定条带法留设煤柱宽度应根据煤柱的稳定性确定。煤柱的稳定系数K为条σ带法留设煤柱能够承受的极限载荷σ与作用在留设煤柱上的实际载荷p的cσcσp比值，/=K。条带煤柱能够承受的极限载荷值为：σ=4γH(a−4.92m

7、H×10−3)TCmγ－覆岩平均容重H－覆岩厚度，m；a－留设煤柱宽度，m；m－煤层采厚，m。作用在煤柱上的实际载荷为：σ=γ[H+b(2H−b0.6)2],TPmb－采出宽度，m；根据开采深度，确定条带开采宽度b，计算出条带开采留设煤柱宽度a。（3）条带法开采安全性分析a−2γP核区率计算：n=×100%≥65%aγP－煤柱屈服区宽度，γ=0.005mH；P条带开采设计经过计算核区率大于65%，煤柱稳定性系数K>1.55，深厚-2-http://www.paper.edu.cn比大于100m，才能满足条带开采的要求。本文研究