短壁采空塌陷場地高架道路建設適宜性評價方法與應用研究

郭 松

南昌工程學院水利與生態工程學院,江西 南昌 330099

煤炭資源長期高強度開采遺留的大面積采空塌陷區域作為典型的不良地基條件,不僅極大地限制了場地的建設利用,而且在各種內外荷載因素的協同作用下,采空區場地可能會發生顯著的移動與變形,導致其上方建(構)筑物產生變形與破壞。論文綜合采用理論分析、數值模擬、數理建模及現場調研等多種研究方法,揭示了短壁工作面采空區破裂巖體變形機理及地表殘余移動變形規律?；诓煽諈^場地群樁基礎附加應力擾動深度創新性地構建了短壁工作面采空塌陷場地高架道路建設適宜性綜合評價體系,主要內容如下。

(1) 在分析短壁工作面采空區場地穩定性影響因素與采空區上方高架道路樁基結構特征的基礎上,采用決策與評價試驗法(DEMATEL)對16項采空塌陷場地建設適宜性影響因素進行關聯分析,結果表明采空塌陷的原因度指標主要是采動程度、覆巖巖性、開采厚度及采空區與擬建工程相對位置?；诖?提出以采空區場地穩定性S及擬建建(構)筑物地基穩定性的量化指標C為自變量,構建適宜度函數F=S×C以定量表征采空塌陷場地建設適宜性。

(2) 基于短壁窄工作面破裂覆巖空間結構特征,建立了短壁窄工作面自然平衡應力拱力學模型,推導了短壁工作面應力拱的撓度方程和彎矩方程,揭示了短壁工作面覆巖移動時空演化特征、自然平衡應力拱發育規律與控制機理,為短壁采空塌陷場地殘余變形精準預計提供理論基礎。

(3) 構建了基于兩側為實體煤層的短壁工作面殘余變形的概率積分法預計模型。將采空區場地殘余變形量等效為短壁工作面采空區煤壁屈服剝離后與開采現狀變形量的差值,以采空區場地移動變形差作為殘余變形的估計量。采用FLAC3D數值模擬軟件對采空區巖層移動及地表變形進行模擬研究,與概率積分法預計結果的對比分析結果表明:采用等效估算的方法預計的殘余移動變形與數值模擬結果基本一致,證明了所提方法的可行性和有效性。

(4) 依據地基反力系數的m法對群樁基礎的水平受荷和沉降變形進行理論分析,采用Midas GTS有限元軟件建立群樁基礎的有限元數值模型,分別在采空區外邊界,采空區中部和采空區內邊界施加不同的地表水平位移,分析不同樁位和不同豎向應力加載條件下群樁基礎受水平位移的內力、剪力彎矩和位移變化。以5倍上部結構荷載(5P)的影響深度HDz-5P作為計算群樁基礎荷載擾動深度的參考,并以Logistic函數模型對群樁基礎穩定性進行量化表達。

(5) 對采空塌陷場地穩定性影響因素進行主成分層次聚類降維處理,基于趨優度與時間度確定采空區場地穩定性的時間權向量,以時序加權平均算子耦合模糊熵的二次加權方法構建短壁采空塌陷場地穩定性動態評價模型。采用適宜度作為表征采空塌陷場地建設適宜性的量化指標,基于適宜度函數提出采空區場地建設適宜性分級量化區間。

(6) 以山東省濟寧市某礦短壁采空區場地快速路高架橋梁建設為工程背景,提出群樁基礎建設適宜性動態綜合評價的方法與流程。預測試驗區覆巖自然平衡應力拱結構最大發育高度為13.5 m,采用概率積分法預計的地表最大殘余下沉值為62 mm,最大殘余傾斜值為0.39 mm/m,最大殘余曲率值為0.002 mm/m2;試驗區群樁基礎建設適宜度區間為(0.65,0.85),能夠滿足高架道路建設要求。