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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 高等级大路采动损害运算及防护王 刚 1,2,3,郭广礼 1,2,3,李 伶 3（1.中国矿业高校 . 国土环境与灾难监测国家测绘局重点试验室 江苏 徐州 221116； 2.中国矿业高校 . 江苏省资源环境信息工程重点试验室 江苏 徐州 221116；3.中国矿业高校 江苏 徐州 221116）摘要 ：地下开采导致的地表危害始终是矿区高等级大路建设和爱护的关键技术难题之一,本文针对我国高等级大路下采煤的现状,应用弹性力学和岩层与地表移动理论,在分析高 等级大路受开采损害的现象和缘由的基础上讨论了采动高等级大路稳固性及受力运算问 题,并提矿区高等
2、级大路受开采损害的防护措施；对预防或处理高等级大路采动损害问题 具有肯定的理论和实践意义,同时也丰富和进展了采动损害讨论的理论和实践；关键词 ：高等级大路；采动损害；稳固性；受力运算；防护措施我国是煤炭大国,煤炭在我国一次性能源消耗中占 70左右,到 21 世纪 20 岁月仍将 在 50以上 13；近年来随着我国煤炭工业和大路事业的不断进展,煤矿区的高等级大路 受采动影响破坏的现象日益突出；高等级大路是大范畴延长的线形整体构筑物,其路基的 承载才能与稳固性受开采沉陷变形的影响较大,如对其留设爱护煤柱就对矿井的开拓掘进、合理布局以及生产的连续性等都将造成不利影响45；欲精确评判地下开采对矿区高等
3、级大路的损坏,以便实行经济上合理,技术上可行的井下开采方案和大路防护措施,必 须精确运算大路采动损坏大小；经检索,目前这方面的讨论工作尚不够充分和完善；为了 保证路基的稳固和排除矿区高等级大路运营的安全隐患,本文开展了高等级大路采动损害 运算及防护的讨论工作,以期对正确评估采动损坏对矿区高等级大路的影响,延长矿区高 等级大路的使用寿命,确保矿区高等级大路的畅通及运输安全,和谐路矿部门之间的冲突 有肯定的指导意义；1 采动影响下高等级大路的损害特点开采影响下大路的损害包括路基和路面两个方面；讨论资料说明6 ：匀称下沉引起的路基变形在空间上是大范畴的、平缓的,在时间上是连续渐变的；因此,在采动影响
4、下,路基 会随着地表整体下沉,而不会在竖直方向上产生脱离等病害,但在高潜水位矿区可能导致 路面因低洼而长期积水；非匀称下沉将导致大路倾斜,使大路的坡度发生变化,而且仍可 能使高等级大路在竖直方向上产生弯曲,转变原有的曲率半径等；倾斜将导致高速行驶车 辆重心的偏移、线路坡长的加大,路基稳固系数的减小,在弯道位置将对高速行驶车辆构 成安全威逼；水平变形和曲率的增大使路面因受拉伸作用而开裂,因受压缩作用而隆起,最终导致路面呈波浪状起伏,路面与路基间也因局部离层而破坏；2 采动高等级大路受力运算矿区大路在开采影响下的受力情形分析包括下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形5 个方面；2.1 下沉对大路的损
5、坏运算 依据矿山开采沉陷学中对开采引起的地表下沉体会运算公式2,11,12可知：（1）式中, W0 为最大下沉量；m 为煤层开采厚度, 为煤层倾角； q 为下沉系数, Ax/r 是开采长度 x 的函数,可通过查表得到；确定大路下沉量后,依据弹性力学公式即可运算路基的应力大小：（2）名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式中, E 为岩土的地基系数；匀称的下沉虽对路面坡度和路基路面的受力模式影响较小,但假如下沉量过大,即使是匀称的,在某些条件下,也会对大路造成严峻损害；如在高潜水位矿区,当路基路面下沉量大于潜水位至路面的高
6、度时,部分路堤就会沉入潜水位以下,造成路堤两旁积水,如图 1 所示,甚至显现路基路面被积水埋没现象,如图2 所示,路基就会受到地下水的长期浸湿,造成路基翻浆,加速路基的破坏,加快路面的破坏,影响行车安全；图 1 路基下沉受积水浸湿（横断面）图 2 路基路面被积水埋没（横断面）非匀称的下沉将导致路基路面附加应力,依据京津塘高速大路、杭甬高速大路、佛开高速大路采纳的技术标准 7,高速大路的路面路基下沉量应掌握在 1cm 内,依据大路路基施工技术规范8,高速大路路基材料的地基系数 E110MPa/m,就由公式（ 2）可算出其路基垂直应力极限值为 0.11MPa；此外,非匀称的下沉仍将导致大路的坡度发
7、生变化,依据山西交通厅于 2005 年提出的高速大路的路基路面答应变形值 9可知,当下沉值的不均匀度超过 3mm/m 时,路面将显现裂缝,影响大路的安全运营；因此,在进行大路下采煤时应尽量防止显现路基路面不匀称沉降的情形；2.2 倾斜对大路的损坏运算 倾斜主要影响路堤的稳固性,资料说明12：高路堤或陡路堤受倾斜的影响较大；如图3 所示,可将路堤在横断面内分成n 个条块,滑动面的圆心为o,半径为 R,就由力矩平稳条件可得：（3）式中, Wi垂直力,包括条块自重及车辆荷载；Qi由水平变形产生的水平力；Si条块底面抗滑分力； Xi、ZiWi及 Qi的力臂；顾及路堤倾斜引起滑动角 ,经推导得出路堤安全
8、系数Ks：（4）式中, ci、fi岩土粘聚力和摩擦系数,fi=tan ； iarcsinXi/R；图 3 路堤稳固性运算示意图此外,地表倾斜变形将对路基产生附加影响,设倾斜i 引起了路基滑动角增量 ,即：（5）当 为正时,地表倾斜方向与滑动方向一样,将加速路基滑动及破坏；当 为负时 , 表示地表倾斜方向与滑动方向相反,在肯定程度上地表倾斜将阻挡路基的滑动及破坏；依据山西交通厅于 2005 年提出的高速大路的路基路面答应变形值 8 可知,路基路面的 倾斜值必需小于 3mm/m,否就路面将显现裂缝,影响大路的运营；依据高速大路路基路面的极限倾斜值,利用公式（40MPa；3）（ 5）即可算出路基路面
9、答应的最大水平应力值为名师归纳总结 2.3 曲率对大路的损坏运算（0）的存在,矿区大路受开采影响后的曲率第 2 页,共 6 页资料讨论说明13：由于大路原始竖曲线曲率- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （K L）与采动引起的附加曲率变形值 之间应满意如下关系：（6）其中,极限,对凸型竖曲线取号,凹型竖曲线取号；大路发生曲率变形后,路面将受到拉伸变形,路基深处将受到压缩变形,并随深度曾加而增大；以路面为例,如图4 所示, A2 为 A1 变形后的点, A1A2 间的弧长为S,对应圆心角变化量为 ,就可由材料力学中的胡克定律近似地得出A1 点由于路面曲率变化
10、而增加的拉应力,然后通过对整个受开采影响的路面进行积分,即可算出整个路面范畴内增加的拉应 力；图 4 路面曲率运算示意图路面曲率的转变虽然增加了路面的拉应力和路基深处的压应力,但因转变了曲率半径而能减小高速行驶的车辆对路面的静压力,设车辆速度为V,质量为 M,就由图 4 并依据物理学的相关学问可以运算出由于曲率的变化而减小的车辆对路面的静压力：（7）式中, R1,R2 分别为曲率转变前后的曲率半径,可由下式运算：（8）式中, K1,K2 分别为大路变形前后的曲率,其关系可由式（6）确定；8 可知,路基路面的 依据山西交通厅于 2005 年提出的高速大路的路基路面答应变形值 极限曲率变形值为 0
11、.2mm/m 2, 如式（ 7）中 M=5000kg ,V=120km/h ,R1=100m,R2=120m时,就可运算出由于大路曲率变化而削减的车辆对路基路面的应力为 加曲率半径可减小路基路面承担的载荷；2.4 水平移动对大路的损坏运算1408Pa；可见适当增地下开采引起的水平移动包括路基路面的同步水平移动和非同步水平移动,路基路面 的同步水平移动对大路的影响可以忽视,而非同步水平移动将使矿区大路在路基和路面接 触面处产生剪切破坏,剪切破坏主要是由于路基和路面水平移动的不同步而增大了路基和 路面间的摩擦力所致；下面给出矿区大路因路基路面非同步水平移动而增加的剪切力运算 公式：（9）式中, E
12、大路填筑材料的地基系数,2.5 水平变形对大路的损坏运算 2.5.1 忽视车载作用的分析运算Ux 路基和路面的相对水平移动；当路面变形值达到裂缝临界变形值0时,即显现裂缝,设x为水平变形, z为竖向水平变形；就依据弹性力学理论有：（10）（11）如不考虑车辆轮载作用,在大路路面上,令,就由式（10）和式（ 11）式得7：（12）近似地取,显现裂缝的临界点处,由主应力表达的极限平稳条件为：（13）得：（ 14）（15）故有：式中： E、u、C、 分别为路面材料的地基系数、泊松比、粘聚力和内摩擦角；式（15）的导出是在忽视车辆轮载作用等其它因素的影响下,由采矿所产生的地表变形值对大路的破坏条件；依
13、据式（15）,路面产生的裂缝延展方向应为最大水平变形值的垂直方名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 向；2.5.2 车载作用下的分析运算 基于目前大路建设中大多采纳钢筋混凝土路面的实际情形,此处挑选的路面即为该类型路面,依据地基小挠度薄板理论,讨论顶板为局部范畴的轮载p,底板地基反力为q 的路面板应力运算问题,依据该理论,得路面板应力应变位移关系式6：16 17式中, Z轮载离板中面Z=0 的竖向距离； Ec、uc混凝土的弹性模量和泊松比；W路面板的竖向位移,或称挠度；采纳半无限地基假说,任一点挠度为：（18）式中, E
14、s、uc地基弹性模量及泊松比；反力零解第一类贝塞尔函数；qr 的零解亨格尔变换式；这样,依据边界条件解得路面板挠度 W,进而求路面板的弯拉应力和内力值；弯拉应力为：（19）路面板内力为：（20）式中, h混凝土路面板厚； 集中荷载作用点与弯距运算点连线同 x 轴夹角；、随 r/L 而变,可查表得到；r 为作用点荷载与作用中心 坐标原点 的距离, L 为半无限地基板的相对刚度半径：（21）设式（ 9）（ 20）运算中所挑选x 轴均相同,就由式（12）、式（ 19）和式（ 20）可得矿区大路在车载作用下的采动水平应力：x 轴方向： 22y 轴方向： 23 依据山西交通厅于 2005 年提出的高速大
15、路的路基路面答应变形值 8可知,路基路面的最大水平变形为 2mm/m,依据此极限变形值,利用公式（16）（ 23）可算出高速大路在车载作用下的极限水平应力值为 70MPa；3 采动高等级大路防护措施采动高等级大路的爱护包括井下开采技术和路面防护措施；3.1 地下开采技术措施大路属于特殊结构的建 构 筑物,可借鉴建筑物下采煤中的部分技术措施来减轻矿区大路受采动影响的损坏；如和谐开采、限厚开采、条带开采、充填开采等技术可降低矿区 大路的移动和变形值；合理布置采区位置和外形使大路下方及邻近不留设孤立的残存煤柱 或永久性的开采边界可防止大路突然下沉或显现塌陷坑；连续开采不在大路下过久停顿可 防止大路承
16、担静态变形值；采纳分层间歇开采防止放顶煤一次采全高降低地表下沉速度,减小采动过程中的动态变形值等；3.2 地面治理措施 采纳井下开采技术措施来减小地表移动变形值以减小对矿区大路的采动损坏,在肯定 程度上要增加煤炭生产成本,造成资源铺张,因此,需要肯定的地面防护措施加以帮助以 保证经济效益；1）采前治理措施；大路治理部门应当和矿方亲密合作,采前成立特地的大路修理队名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 伍,在采动区建立一个暂时修理工区,负责采动路线修理工作；依据矿方的采掘方案,采 前估计不同时间阶段的地表移动变形,明确路线移
17、动和变形的性质、数值和方向,以便采 取相应的爱护措施；对于待建高等级大路,如采动影响时间较短时,可以缓建采动影响 段,直至地表移动进入衰退期；如高等级大路压煤工作面较多时,可以依据估计的下沉量 采前预加高路基,采纳暂时路面运行；对于已建成路线,应当依据沉陷估计结果,在路线 移动相反方向采前积极预备修理材料,特殊是在高潜水位区,在塌陷积水前应从路线邻近 取出备用土,削减采动治理过程中的工作量；2）采中治理措施；对采动路面裂缝准时进行填充、灌浆治理,对松动的路基进行夯 实,防止雨水渗透路基,在动载荷作用下,导致路基翻浆；对路线失位进行适当修正,保 持平面和纵面设计线形,对高路基的边坡稳固性进行演算
18、加固,保证汽车运行安全；另外 对于建成路线,为了防止路基浸水失稳,仍应当准时复原路面标高；由于采动的影响,高等级大路的质量状况严峻下降,在路线进入采动区时,应当设立 戒备标志,严格掌握行车速度,防止发生车祸；采动中仍应当对路基、路面的移动变形进行监测,把握移动变形规律,为采动治理提 前作出预警和积存体会；3）采后治理措施；采掘活动终止、地表移动进入衰退期后,应重新夯实路基,使路基 具有足够的强度；探明老采空区的覆岩结构外形,分析“ 活化” 形式,论证是否注浆处理 老采空区；充分估算老采空区的残余移动变形才能,在复原高等级大路的线形设计时,要 留有肯定的余度；在复原高等级大路路基、路面结构时,考
19、虑到老采空区的“ 活化” 和高 等级大路对移动变形的敏锐性,要实行肯定的抗变形措施,比如在刚性基层底部和柔性路 基间设置“ 滑动层” 、在刚性基层顶部与路面层间铺设玻璃纤维网或预切缝后设置玻璃纤 维格栅、路面采纳 SBS、 SBR改性沥青技术等 14,15 ；4 结论1）矿区大路的采动损坏特点不同于一般大路的破坏特点,更不同于一般建筑的破坏特 征；2）结合地表采动损坏现象和受力情形,依据高等级大路自身的特点,利用弹性力学相 关公式可以推算出矿区大路受开采影响而引起的路基路面应力变化值；3）大路的承载才能有肯定限度,在实际工程中,应依据相关规程规定实行合理的措施 掌握大路的受力大小,以保证大路运
20、输的安全；4）大路是一种特殊的线状建（构）筑物,为了保证大路的安全,大路下采煤措施不能 完全照搬“ 三下” 采煤措施,应结合实际情形加以挑选；参考文献：1 煤炭科学讨论院北京开采所. 煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用M . 北京 : 煤炭工业出版社, 1981. 2 何国清 , 杨伦 , 凌赓娣 , 等. 矿山开采沉陷学 M . 徐州 : 中国矿业高校出版社 , 1994. 3 钱鸣高 , 许家林 , 缪协兴 . 煤矿绿色开采技术 . 中国矿业高校学报 J,2003,324:343-348. 4余学义 . 采动区地表剩余变形对高等级大路影响估计分析 J . 西安大路交通高校学报 . 2001
21、4:9-12.5 GUO Wenbing.Analysis on the damage characteristic of highway due to mining and its applicationC/Proceeding in Mining Science and Safety Technology.Beijing:Science Press,2002. 6栾元重 , 季道武 . 大路采动损害的运算J.矿山测量 , 1998,3:30-32. 名师归纳总结 7 付宏渊 .高速大路路基沉降猜测及施工掌握M . 北京 :人民交通出版社 ,2007. 第 5 页,共 6 页8 中华人民共和
22、国交通部. 大路路基设计规范S . 北京 : 人民交通出版社 ,2004. 9中交第一大路工程局有限公司.大路路基施工技术规范S. 北京 :人民交通出版社 ,2007. - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 10 邵强 , 冯德学 . 采动影响下大路损害特点及防护J.煤炭工程 , 2004,2:40-42. 11 孙忠弟 . 高等级大路下伏空洞勘探、危害程度评判及处治讨论报告集 R. 北京 : 科学出版社 , 2000. 12 孙忠弟 . 高速大路采空区 空洞 勘察设计与施工治理手册 M. 北京 : 人民交通出版社 , 2005. 13 朱广轶 . 地表曲
23、率变形对高速大路影响的讨论 J.辽宁工程技术高校学报 , 2003,222:186-187 . 14 余学义 . 采空区对高等级大路影响程度估计分析讨论报告 R.西安 : 西安科技学院 , 1997.15 余学义 . 采动区地表剩余变形对高等级大路影响估计分析 J.西安大路交通高校学报 , 2001 4:9-12.基金工程： 国家自然科学基金重点工程：（50834004）；国家公益性行业基金资助工程（202211050）；作者简介： 王刚（ 1986）,男,重庆万州人,硕士讨论生,主要讨论方向为开采沉陷与高等级大路下采煤；Tel: Emai:wanggangcumt通讯作者：王 刚, Tel:
24、 Emai: wanggangcumt郭广礼, Tel: Emai: guogl65随着高等级大路建设里程的增长,矿区面临的高等级大路下压煤开采问题日趋严峻,对采动影响下高等级大路变形特点、影响规律、受力分析等进行讨论具有重要的理论和实际意义；该文采纳弹性力学、开采沉陷理论,对采动影响下高等级大路的受力进行了分析讨论,给出了受力运算的相关方法,具有的肯定的理论和应用价值；论文主要问题：（1）公式（ 2）中： x=E.Wx,依据温克尔地基假定,该式中（9）存在同样的问题；E 应为地基系数,不能懂得为弹性模量,两者存在差异,公式（2）文中推出了下沉、倾斜、水平移动、水平变形对路面受力的影响,但如何应用未说明,似乎是为了理论而理论,应当说 明在什么条件下,导致路面损害,从而给出地面沉陷的极限指标,以便应用；（3）应用实例与前面的推导没有联系；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页