一种控制路基沉降的采空区处理方案选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿业工程，特别是涉及控制既有路基沉降小于要求时的采空区处理方 案选择。
【背景技术】
[0002] 井工开采是煤矿的主要生产方式之一，而随着回采工作的进行，采空区也逐渐形 成。根据采空区上覆岩层的特点，可使用相应的方法对其进行处理，可采用水砂或废石对充 分采动后，工作面顶板自然垮落形成的空间(采空区）进行充填，使上覆岩层变形减小；或由 于上覆岩层坚硬、厚度较大等原因无法在理想情况下自行垮落，为了避免由于难以控制的 上覆岩层瞬间断裂所导致矿难的发生，往往对这样的上覆岩层进行爆破强制垮落，当然也 有其他方法。
[0003] 对于采空区处理方式和上覆岩层运移研究，目前已有了一定进展。提出论文所处 理的问题：拟开采区域上覆岩层复杂，且其上方地表存在既有公路，如何选择有效的采空区 处理方案，保证开采及废弃后地表沉降小于〇. 3m。
[0004] 为解决上述问题，根据作者的研究，采用PFC3D作为模拟平台，对复杂岩层进行建 模。在模型中构建采空区，通过直接爆破放顶、充填开采和充填开采+顶板爆破三个方案分 别对处理后采空区和上覆岩层的运移和应力进行模拟。并对比了三种方案的上覆岩层运 移、应力和地面路基沉降。
【发明内容】
[0005] 1. -种控制路基沉降的采空区处理方案选择方法，其特征在于，为避免开采对其 上地表处路基沉降影响，提出直接顶板爆破、充填开采、充填开采+顶板爆破的采空区处理 方案；其包括如下步骤：岩体模型的建立、爆炸模型的建立、三种方案模型的建立；本发明 可用于控制既有路基沉降小于要求时的采空区处理方案选择。
[0006] 2.根据权利要求1所述的既有路基沉降小于要求，其特征在于，开采稳定后引起 路基范围内地面沉降量不超过〇. 3m，路基地面宽26. 5m。
[0007] 3.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，考虑到岩土体形成过程 是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的 过程，使用下落法构造模型。
[0008] 4.根据权利要求1所述的爆炸模型的建立，其特征在于，根据爆破区域划分：爆破 压碎区、破裂区、振动区；压碎区半径R 1-般为3-7R，而破裂区半径R 2-般为8-150R，其中 R为炮孔半径；从两个方面对PFC3D构造的边坡模型中颗粒进行爆破初始瞬间状态的设置， 一是考虑炸药的能量转化为颗粒动能如何设置；二是考虑爆炸瞬间释放的气体等冲击波对 岩体造成的碎裂和劣化作用。
[0009] 5.根据权利要求1所述的三种方案模型的建立，其特征在于，方案包括：直接顶板 爆破、充填开米、充填开米+顶板爆破。
[0010] 6.根据权利要求5所述的直接顶板爆破，其特征在于，对于直接顶板爆破的处理 方式，模型建立过程为：首先建立采空区，采空区为图1中煤层位置，通过将颗粒删除模拟 采空区，采空区沿岩层1的长度约为186m，总长为220m ;第二步根据上述爆炸模型设置起爆 点，设炮眼直径为0. lm，那么爆破破裂区半径为15m，即爆破点最大间距约是30m ;但考虑到 对岩体的充分破坏，相邻两爆破点的爆破破裂区应有所重叠，将爆破点间距设为22m左右， 共10个爆破点，孔深约为1~2. 5m，爆破能量为4000kJ。
[0011] 7.根据权利要求5所述的充填开采，其特征在于，对于充填开采处理方法，充填 体的模拟方法为将煤颗粒粒径按照充实率缩小，然后修改这些颗粒的物理属性为充填体属 性；充填体拟采用矸石，物理性质为：密度I. 9t/m3、体积模量2. Ο/GPa、剪切模量I. 8/GPa、 摩擦角5° ;颗粒粒径从煤转换充填体所乘系数为(前期研究得充实率应大于0. 83):充实率 为0. 85,系数为0. 9473 ;充实率为0. 9,系数为0. 9655 ;充实率为0. 95,系数为0. 983。
[0012] 8.根据权利要求5所述的充填开采+顶板爆破，其特征在于，对于充填开采+顶板 爆破方案，为先充填，后爆破方案；先执行充填开采处理，后进行顶板爆破处理；充填开采 处理为权利要求7所述；顶板爆破处理为权利要求6所述。
【附图说明】
[0013] 图1拟建矿区上覆岩层示意图。注：煤层与岩层1 一起建立，通过将煤层位置颗粒 属性进行修改以表示煤层。
【具体实施方式】
[0014] 考虑到岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐 层堆积形成的，并经过自然压实的过程。按照该思想构建了"下落法（Particles Fall Method，PFM)"来构造初始应力场。PFM是通过使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积并压实 的过程构造模型的。
[0015] 首先介绍基于PFC3D爆破模型的基本理论。根据爆破区域划分：爆破压碎区、破裂 区、振动区。压碎区半径R 1-般为3-7R，而破裂区半径R 2-般为8-150R，其中R为炮孔半 径。从两个方面对PFC3D构造的边坡模型中颗粒进行爆破初始瞬间状态的设置，一是考虑 炸药的能量转化为颗粒动能如何设置；二是考虑爆炸瞬间释放的气体等冲击波对岩体造成 的碎裂和劣化作用。爆炸模型的基本方程如式（1)~(3)所示。详细说明见文献。
[0016]
式中，J为爆炸总能量，/J观表示颗粒i的质量，kg/m3;v ;表示颗粒i的速度，m/s ; Jk表示三个区域分配的能量，k=l，2, 3 /J，分别表示压缩区、破裂区、振动区；胃表示三个 区域分配能量的系数，％:分别为10%、80%、10% 表示某区域其中一个颗粒0 ,分配的能 量/J 表示Oj分配能量的系数；％表示Oj对爆炸点的圆心角/° ; :?表示Oj的半径/ m 表示爆炸点坐标表示Oj的坐标；^分别表示'^在X和y方向上的分 里，HlZ S 〇
[0017] 这里提出三种采空区处理方式：直接顶板爆破、充填开采、充填开采+顶板爆破。
[0018] 对于直接顶板爆破的处理方式，模型建立过程为：首先建立采空区，采空区为图1 中煤层位置，通过将颗粒删除模拟采空区，采空区沿岩层1的长度约为186m，总长为220m ; 第二步根据上述爆炸模型设置起爆点，设炮眼直径为〇. lm，那么爆破破裂区半径为15m，即 爆破点最大间距约是30m。但考虑到对岩体的充分破坏，相邻两爆破点的爆破破裂区应有所 重叠，将爆破点间距设为22m左右，共10个爆破点，孔深约为1~2. 5m(根据颗粒的具体位置 而定），爆破能量为4000kJ。
[0019] 对于充填开采处理方法，充填体的模拟方法为将煤颗粒粒径按照充实率缩小，然 后修改这些颗粒的物理属性为充填体属性。充填体拟采用矸石，物理性质为：密度1.9t/ m3、体积模量2. Ο/GPa、剪切模量I. 8/GPa、摩擦角5°。颗粒粒径从煤转换充填体所乘系数 为(前期研究得充实率应大于〇. 83):充实率为0. 85,系数为0. 9473 ;充实率为0. 9,系数为 0. 9655 ;充实率为0. 95,系数为0. 983。
[0020] 对于充填开采+顶板爆破方案，为先充填，后爆破方案。先执行充填开采处理，后 进行顶板爆破处理。参数同上述两方案。
[0021] 对路基下部地面颗粒进行沉降监测。监测范围为路基下颗粒（id，由图1左向右）： 52084、54462、52913、53175、52556、50730、51303、54067、51740、52385、52861，颗粒直径为 2. 5m，又由于排列有交错现象，所以取11个颗粒进行检测。路基对模型的影响极小，并未在 图形中进行建立。
[0022] 1. 一种控制路基沉降的采空区处理方案选择方法，其特征在于，为避免开采对其上 地表处路基沉降影响，提出直接顶板爆破、充填开采、充填开采+顶板爆破的采空区处理方 案；其包括如下步骤：岩体模型的建立、爆炸模型的建立、三种方案模型的建立；本发明可 用于控制既有路基沉降小于要求时的采空区处理方案选择。
[0023] 2.根据权利要求1所述的既有路基沉降小于要求，其特征在于，开采稳定后引起 路基范围内地面沉降量不超过〇. 3m，路基地面宽26. 5m。
[0024] 3.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，考虑到岩土体形成过程 是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的 过程，使用下落法构造模型。
[0025] 4.根据权利要求1所述的爆炸模型的建立，其特征在于，根据爆破区域划分：爆破 压碎区、破裂区、振动区；压碎区半径R 1-般为3-7R，而破裂区半径R 2-般为8-150R，其中 R为炮孔半径；从两个方面对PFC3D构造的边坡模型中颗粒进行爆破初始瞬间状态的设置， 一是考虑炸药的能量转