专利名称：高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法
技术领域：
本发明属于地质灾害整治技术领域，具体的讲涉及高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法。
背景技术：
采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带垮落带、导水裂隙带和弯曲带，带来一系列环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等，给矿区工程建设留下很大隐患。对于在采空区修建高速公路，只考虑矿山开采沉陷是不够的，这是因为，采空区的稳定并不意味着高速公路的稳定，高速公路的修建和运营将对已稳定的采空区产生二次干扰，将引起上伏岩体的进一步变形，因此，采空区的开采沉陷的最终结果其实是高速公路下伏房柱式采空区稳定性分析的初始状态。
采空区地表可能产生连续性或非连续性位移变形，对高速公路的危害主要有如下几个方式采空区的失稳冒落，使地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等；路基沉陷，造成路基、路面局部开裂，使承载力下降，使用条件降低，或造成路面低洼积水破坏；倾斜使坡度发生变化，导致行驶车辆重心偏移，在弯道处最易发生事故；水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，使路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层。
在采空区修建高速公路前，需对采空区进行一系列的工作，包括(1)采空区的勘探。探明下伏房柱式采空区的位置、大小、形状、上伏岩体力学特性等；(2)采空区的稳定性评价。基于采空区的探测结果，评价采空区的状态及可能对高速公路的危害；(3)采空区的治理。针对采空区的状态，提出采空区的治理措施；(4)采空区的治理质量控制。对采空区治理的施工进行监测，保证施工质量。其中高速公路下伏房柱式采空区的稳定性评价在我国乃至国外还是一个较新的难题，其评价技术还很不完善，所积累的经验及可借鉴的经验很少，尚未形成一套较完整的，操作性较强的高速公路下伏房柱式采空区的稳定性评价技术体系。目前还没有关于高速公路下伏房柱式采空区处治技术规范，其采空区稳定性评价工作主要沿用其它相关技术规范进行。
发明内容
本发明的目的是提供了一种较全面地考虑了高速公路与采空区的两方面，及其它们之间的相互作用，较完善准确的评价高速公路下伏房柱式采空区稳定性的方法。
本发明的技术方案如下 高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法，其特征在于该方法采用如下步骤进行， 步骤1 通过进行深厚比初步评价开始对地表局部塌陷检算，若深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能；若深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能； 步骤2 在步骤1的基础上，当深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能时对地表整体下沉进行检算，首先进行采空区煤柱强度安全进行检算以此为依据判断煤柱是否安全； 当深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能时，看顶板上面有无上覆松散地层，若有上覆松散地层则需要对顶板安全性进行检算以此为依据判断顶板是否安全； 步骤3 步骤2中若判定煤柱是安全的则进行采空区底板强度检算、若采空区底板满足要求进行地表下沉检算，当地表下沉值小于限值时认定下伏房柱式采空区稳定、不需要处理；若判定煤柱、采空区底板、地表下沉值任一项达不到要求时认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理； 步骤2中若判定无上覆松散地层或虽然有上覆松散地层但顶板是安全的则进行临界开采深度检算，若顶板不安全或临界开采深度检算结果显示开采深度小于临界深度则认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理； 步骤4 步骤3中如果临界开采深度检算结果显示开采深度大于临界深度则按照步骤2中深厚比大于或等于40的情况所采用的方法和步骤进行处理。
有益效果通过对本方案较全面地考虑了高速公路与采空区的两方面，及其它们之间的相互作用，较完善准确的评价高速公路下伏房柱式采空区稳定性。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中 图1本发明的流程图； 图2为顶板安全性验算模型； 图3为临界开采深度的计算模型； 图4为煤柱受力稳定性分析模型中煤柱的荷载分配示意图； 图5为煤柱受力稳定性分析模型中荷载的传递示意图;
具体实施例方式 如图1所示 高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法，该方法采用如下步骤进行， 步骤1 通过进行深厚比初步评价开始对地表局部塌陷检算，若深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能；若深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能； 步骤2 在步骤1的基础上，当深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能时对地表整体下沉进行检算，首先进行采空区煤柱强度安全进行检算以此为依据判断煤柱是否安全； 当深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能时，看顶板上面有无上覆松散地层，若有上覆松散地层则需要对顶板安全性进行检算以此为依据判断顶板是否安全； 步骤3 步骤2中若判定煤柱是安全的则进行采空区底板强度检算、若采空区底板满足要求进行地表下沉检算，当地表下沉值小于限值时认定下伏房柱式采空区稳定、不需要处理；若判定煤柱、采空区底板、地表下沉值任一项达不到要求时认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理； 步骤2中若判定无上覆松散地层或虽然有上覆松散地层但顶板是安全的则进行临界开采深度检算，若顶板不安全或临界开采深度检算结果显示开采深度小于临界深度则认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理； 步骤4 步骤3中如果临界开采深度检算结果显示开采深度大于临界深度则按照步骤2中深厚比大于或等于40的情况所采用的方法和步骤进行处理。
上述步骤是依据以下原理和具体检算公式和方法来完成的 采空区对新建高速公路的危害程度主要取决于地质和采矿等因素。如矿床的开采深度、采厚、采矿方法、地质构造、覆岩岩性及顶板支撑方法等。不同的地质采矿条件对地表沉陷破坏程度差异很大，反映到地表的形态可归结为连续位移变形和非连续位移变形两类。连续位移变形多发生在开采深度大(深厚比大于40)、开采范围大的条件下。采动地表连续位移变形以连续沉陷为特征，连续沉陷一般会持续2~5年。非连续位移变形发生在开采深度较小(深厚比小于40)、开采空间较小的条件下。其破坏表现形式为地表出现拉裂裂缝；地表隆起，起伏不平；地表倾斜、扭曲；地表阶梯状、漏斗性塌陷坑等。非连续破坏以突发性、隐藏性为特点，没有一定的规律，有时开采后几十年还会发生较大的沉陷破坏，这种情况对地面建筑物危害极大。
如上所述，地表变形分为连续位移变形和非连续位移变形两类，且非连续位移变形对地面建筑物危害大。房柱式采空区稳定性评价应该结合房柱式开采的特点，以非连续位移变形评价为重点，同时对连续位移变形进行检算。目前高速公路下伏房柱式采空区的稳定性评价方法尚没有一定的标准，工程应用中，常侧重于某一方面，或者倾向于采用某一经验公式和方法。归纳起来，房柱式采空区稳定性的评价一般包括两方面的内容(1)采空区本身的安全性评价；(2)高速公路路基安全性评价。同时还要考虑到采空区和高速公路的相互作用，即基本稳定后的采空区受到高速公路的施工荷载和运营荷载作用下可能会破坏应力平衡状态，引起破裂岩体的二次或多次移动。
(1)顶板强度检算 在采空区稳定性评价中，顶板安全性检算是最重要的，这是因为顶板的垮落可能产生地表的突然局部坍陷，给高速公路的运营带来非常严重的后果。由于上伏岩体的作用，顶板的受力比较复杂，且顶板的破坏对高速公路的影响还取决于埋深，特别是上伏岩体的岩性。目前，有几种常用的顶板安全性检算方法。
Whittaker法 Whittaker建议了一种检算顶板稳定性的结构力学法。该方法将顶板当作简支梁处理，并承受高速公路荷载、上伏松散地层及岩层本身的重量产生的均布荷载，如图2所示，其计算公式为
(2-2) 其中，T为顶板厚，γi为上伏岩体中每层岩体的容重，g为重力加速度，hi为每上伏岩体中每层岩体的高度，q0为高速公路的施工或运营荷载，一般取200KN/m2，s为煤柱间距，t为采厚(开挖煤层厚度)。
本方法中的顶板安全性评价是通过比较顶板中的最大拉应力和岩体的抗拉强度，得出安全系数判定顶板的安全性。实际计算时顶板厚度的确定视情况而定，一般取岩层的厚度。可以看出，本方法比较适合于较完整岩层顶板且岩层上方地层为松散的无粘结力的沙粒土的情况。
(2)临界开采深度H0 《岩土工程手册》建议的方法 《岩土工程手册》建议引入临界开采深度来判定顶板的安全性、该方法考虑采空区上方岩体在重力G作用下而下沉，两边岩体则施以摩擦力F阻止该岩体的下沉，如图3所示。
当顶板上方岩体恰好能保持自然平衡而不塌陷时的上伏岩体高度称之为临界开采深度H0，由下式计算
(2-3) 其中φ为上方岩体的加权内摩擦角。
如果考虑新建高速公路的运营荷载(分布荷载q0)，公式(2-3)则变为
(2-4) 当采深H<H0时，顶板不安全；H0<H<1.5H0时，顶板安全性差；H>1.5H0时，顶板安全。本方法适用于开采面积小，上伏岩层可形成冒落拱的柱式采空区。
(3)煤柱和底板强度检算 由于煤体的开挖，破坏了岩体中原有的力学平衡，原由被挖出的煤体承受的荷载被转移到煤柱上，并传到底板上，如图4、5所示:图5中A为顶板、B为底板、C为煤柱；煤柱的安全性就是检算煤柱强度是否能承受作用在煤柱上的荷载；底板的安全则是检算底板是否有足够的强度来承受煤柱传递来的应力。
本检算中的荷载较明确，可采用结构力学方法进行，其关键是计算出煤柱中的平均竖向应力，并与煤柱及底板的强度比较，得出其安全系数。从图4、5中可看出，其上伏岩体的重量由煤柱承受，每个煤柱中的平均竖向应力可由下式计算。
(2-5) 其中，n为上伏岩体的岩层层数，w为煤柱边长。
煤柱强度与煤柱形状密切相关，其计算主要依赖工程实践中收集相关数据并提炼成经验公式。针对不同形状的煤柱，各国学者提出过一些经验公式，如南非学者Salamon对方形煤柱的强度进行过大量的研究工作，并提出了煤柱强度计算公式
(MPa) (2-6) 煤柱的安全系数由下式计算
(2-7) 底板的安全系数由下式计算
(2-8) 其中Rb为底板岩体的强度。
为保证煤柱及底板的长期稳定性，安全系数应大于1.5。
(4)局部塌陷检算 《公路路基设计规范》建议的方法 据《公路路基设计规范(JTGD30-2004)》中的岩溶地区路基中的溶洞顶板的安全厚度(7.5.3)的规定“当地下洞室顶板岩层未被节理裂隙切割或虽被切割但胶结良好时，其顶板的安全厚度可按照厚跨比法确定。当顶板的厚度与路基跨越洞室的长度之比大于0.8时，洞室的顶板岩层可不作处理”。这一方法主要适合于单跨采空区且顶板岩体节理不发育的情况。
铁路下采煤的经验 地表局部塌陷一般发生在浅部开采情况下，特别是高速公路施工及运营时各种荷载的诱发，发生塌陷。但地表突然塌陷不易精确预测，一般都通过经验和工程类比方法确定。根据铁路下采煤的经验，当深厚比(采深和采厚之比)超过30时，一般地表不会出现局部坍塌。
高速公路经验 采空区和高速公路的相互作用主要考虑的是基本稳定后的采空区受到高速公路的施工荷载和运营荷载作用下可能会破坏原有的应力平衡状态，引起破裂岩体的二次或多次移动。采空区破裂岩体的二次或多次移动的发生与否与采深及上伏岩体岩性有关。经验证明，当深厚比大于40时，采空区大都是安全的。
(5)地表下沉检算 品字形房柱式开采引起的地表下沉的计算非常复杂，其不但与埋深和采空区的尺寸和形状有关，而且与上伏岩体中的岩层岩性和力学参数密切相关，目前还没有可靠的经验公式可以借用，多通过数值计算得到。
综上本方法针对高速公路的两种可能破坏方式，从地表局部塌陷和上伏岩体整体下沉两方面进行检算，并优先考虑高速公路中最关心的地表局部塌陷进行检算，在满足地表局部塌陷检算要求的基础上，再对上伏岩体整体下沉进行检算。
在地表局部塌陷检算中，首先采用深厚比进行初步评价，当深厚比大于或等于40时，认为无地表局部塌陷可能，转而进行上伏岩体整体下沉检算。如果深厚比小于40时，则有地表局部塌陷的可能。为确定其可能性，需做进一步的检算。当顶板岩层较完整且岩层以上上伏岩层为松散地层时，采用式(2-2)计算顶板拉应力对顶板的安全性进行检算。当顶板不安全时，则认为采空区不稳定，需进行处理。如果没有上伏松散岩层或有上伏松散岩层但上述顶板检算为安全时，对表征高速公路和采空区的相互作用的临界开采深度(采用公式2-4计算临界开采深度)进行检算。如果不安全，则认为采空区不稳定，需要处理。否则，转向上伏岩体整体下沉检算。
在上伏岩体整体下沉检算中，针对影响上伏岩体整体下沉的三个方面煤柱(公式2-7)、底板(公式2-8)以及地表下沉(通过数值模拟计算获得)进行检算，其中任何一种安全检算不通过时，则认为采空区不稳定。
权利要求
1.高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法，其特征在于该方法采用如下步骤进行，
步骤1
通过进行深厚比初步评价开始对地表局部塌陷检算，若深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能；若深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能；
步骤2
在步骤1的基础上，当深厚比大于或等于40认为无地表局部塌陷可能时对地表整体下沉进行检算，首先进行采空区煤柱强度安全进行检算以此为依据判断煤柱是否安全；
当深厚比小于40认为存在地表局部塌陷可能时，看顶板上面有无上覆松散地层，若有上覆松散地层则需要对顶板安全性进行检算以此为依据判断顶板是否安全；
步骤3
步骤2中若判定煤柱是安全的则进行采空区底板强度检算、若采空区底板满足要求进行地表下沉检算，当地表下沉值小于限值时认定下伏房柱式采空区稳定、不需要处理；若判定煤柱、采空区底板、地表下沉值任一项达不到要求时认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理；
步骤2中若判定无上覆松散地层或虽然有上覆松散地层但顶板是安全的则进行临界开采深度检算，若顶板不安全或临界开采深度检算结果显示开采深度小于临界深度则认定下伏房柱式采空区不稳定、需要处理；
步骤4
步骤3中如果临界开采深度检算结果显示开采深度大于临界深度则按照步骤2中深厚比大于或等于40的情况所采用的方法和步骤进行处理。
全文摘要
本发明公开了高速公路下伏房柱式采空区稳定性评价方法，该方法包括对地表局部塌陷检算，对地表整体下沉进行检算，判断煤柱是否安全；看顶板上面有无上覆松散地层，采空区底板强度检算、临界开采深度检算，通过对本方案较全面地考虑了高速公路与采空区的两方面，及其它们之间的相互作用，较完善准确的评价高速公路下伏房柱式采空区稳定性。
文档编号E02D1/08GK101806054SQ20101013814
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者肖均, 卿三惠, 全孝, 舒亮 申请人:中铁二局股份有限公司, 陕西榆林榆神高速公路有限公司