（岩土工程专业论文）高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究 摘要 随着交通事业的发展，采空区的稳定性问题作为公路建设的不良地质 问题己越来越突出。因此，开展对桥隧下伏采空区稳定性评价的研究工作， 对采空区处理、采空区上方构筑物布置及其抗变形结构设计等都具有极其 重要的理论意义和实际运用价值。然而国内外对于公路下伏采空区路基及 其重点构筑物地基稳定性评价的研究还是处于发展阶段，理论基础和研究 手段有待于完善。本文借鉴前人研究成果，运用相相似理论，以离石一军 渡高速公路沿线下伏采空区为原型，通过相似材料模拟试验，研究采动引 起上覆岩体“三带”发育规律、裂隙演化规律并对地基稳定性评价，进而 为采空区治理工程的治理范围及方法提供合理的方案。 试验分两个阶段：第一阶段模拟开采沉陷过程，研究岩体“三带 发育 及分形裂隙的演化规律；第二阶段在开采沉陷基本稳定之后，在沉陷区的 不同位置等比例施加构筑物荷载，研究地基稳定性。试验设计多层位移观 测点，在模型的全剖面范围内观测岩层位移。 高速公路桥隧下伏采空区地基的危害程度及其稳定性评价在国内外都 属于一个较新的课题，还没有完善的理论体系。本课题采用相似模拟试验 研究高速公路桥隧下伏采空区构筑地基的稳定性，这不但是对于岩石力学 理论的丰富，而且对指导工程实践，具有积极的意义。本文将对指导老采 空区建筑地基处理工程的设计以及应用具有一定作用。 关键词：相似模拟试验，采空区，地表位移，分形维数，地基稳定性 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r 【m e n t a ls t u d y0 fa n a l o gs i ，a t l 0 no n s t a b i l i t ya n a l y s eo fb r i d g ea n dt in 姗l w i t hu n d e r l y i n gg o a fd i 爪i n ge x p r e ss ：a l y a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t ，t h es t a b i l i t yo fg o a fa st h ea d v e r s e g e o l o g i c a le x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o nh a sb e e na ni n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tp r o b l e m t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ns t a b i l i t ye v a l u a t i o no fb r i d g ea n dt u n n e lw i t hu n d e r l y i n g g o a l , i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u ef o r t r e a t m e n to fg o a f , l a y o u to fs t r u c t u r e sa tt h et o po fg o a l , d e f o r m a t i o no f s t r u c t u r a ld e s i g na n ds oo n h o w e v e r , a th o m ea n da b r o a d ，t h es t a b i l i t y e v a l u a t i o no fr o a d b e do fe x p r e s s w a yw i t hu n d e r l y i n gg o a fa n di t sf o u n d a t i o no f s t r u c t u r ei ss t i l li nd e v e l o p m e n ts t a g e s i t st h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e s e a r c hm e a n s h a v et ob ef u r t h e ri m p r o v e d t h i sp a p e rt a k e sg e o l o g i cc o n d i t i o no fl i s h i j u n d u e x p r e s s w a yw i t hu n d e r l y i n gg o a fa st h ep h y s i c a lm o d e lo fb a c k g r o u n dd e s i g n f r o mt h i se x p e r i m e n t ，w es t u d yt h el a w so fd e v e l o p m e n to f t h r e eb a n d s a n d c r a c k sa n de v a l u a t et h es t a b i l i t yo ff o u n d a t i o n b a s e do nt h e m ，r e a s o n a b l e s c h e m ei su s e df o rf u r t h e rt r e a t m e n tp r o j e c ts c o p ea n dm e t h o d s t h ee x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot w op h a s e s i nt h ef i r s tp h r a s e ，f r o m s i m u l a t i n go ft h ec o u r s eo fm i n i n gs u b s i d e n c e ，w es t u d yr u l e so fd e v e l o p m e n to f “t h r e eb a n d s ”a n dc r a c k s i nt h es e c o n dp h a s e ，a f t e rt h em i n i n gs u b s i d e n c ei s g r a d u a l l ys t a b l e ，w ea p p l yc o n s t a n tp r o p o r t i o n a ll o a dt od i f f e r e n tl o c a t i o n so f s u b s i d i n gb a s i na n ds t u d yt h es t a b i l i t yo ff o u n d a t i o n w el a yt h eo b s e r v i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p o i n t si nm u l t i p l a y e ra n do b s e r v et h e mf r o m t h ew h o l es e c t i o n so fm o d e l i ti san e wp r o b l e mt h a te v a l u a t i o no ft h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yw i t hg o a fa n d j u d g m e n to ft h er a n g eo ff o u n d a t i o nt r e a t m e n t a tp r e s e n t ，t h e r ei s n op e r f e c t t h e o r ya th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ra d o p t s t h ee x p e r i m e n to fa n a l o g s i m u l a t i o nt os t u d yt h es t a b i l i t yo ft h eb u i l d i n gf o u n d a t i o nw i t hg o a i ti s p o s i t i v em e a n i n gt oe n r i c h i n gt h et h e o r yo f t h ee a c ha n dg u i d i n gt h ep r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g t h i sp a p e r w i l l g u i d e c o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h e f o u n d a t i o np r o je c t so fo l dg o a k e yw o r d s ：e x p e r i m e n to fa n a l o gs i m u l a t i o n ，g o a f ，s u r f a c ed i s p l a c e m e n t ， f r a c t a ld i m e n s i o n ，g r o u n ds t a b i l i t y i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：壁丕盘日期：丝终塑丝旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：正1 习； 导师签名： 防、龙 乃侈泳t 汉 日期：塑垒童旦兰旦 日期：2 翌墨豆三堕鲨堕 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1研究背景 第一章绪言弟一早珀百 在过去的半个多世纪里，我国中西部的煤炭资源对我国社会主义的建设和国民经 济的发展做出了不可估量的贡献。建国以来尤其是改革开放以来，煤炭的大规模的机 械化开采和无规划不合理的小煤窑滥采，使一些老煤炭能源基地形成了大规模、不同 程度的坍塌沉陷区，其上覆岩体冒落，断裂和弯沉，岩体力学性质发生了很大的变化， 如强度降低，刚度减小，丧失一定的稳定性。西部大开发战略的实施和大力推进基础 设施建设，工业化和城镇化快速发展，一些地区的公路、铁路等桥、隧构筑物不得不 建在采空区上面。在公路静荷载或动荷载作用下，有可能使原本相对稳定的采空区岩 体重新“活化”，使冒落带、裂隙带岩体发育或压实，地下残留空间冒落，使地表产生 大的移动和变形，进而使构筑物沉降，局部开裂、倾斜，甚至倒塌。 桥隧下伏采空区稳定性评价技术的研究在国内外都属于一个较新的课题。太旧高 速公路是山西省涉及采空区地基处治的第一条高等级公路，以后陆续又有大运高速公 路、晋焦高速公路、长太高速公路等都涉及采空区地基处治问题，积累了较为丰富的 采空区处治经验和大量的测试资料。刚刚建成的青岛一银川高速公路是国家西部大开发 的重要工程，它的建成对于发展西部经济，加强区域间的沟通和发挥西部的资源优势 具有积极的意义。其路线途经山西省的离石军渡一段时遇到了大面积的采空区，并且 涉及到矾水沟大桥、康家沟大桥、大雨亮隧道、师婆沟隧道、闫家条隧道、庙梁隧道 两桥四隧主要构筑物。天然地基不能满足承载和安全运行的要求，需采取有效治理使 其满足正常使用要求。因此，开展对桥隧下伏采空区稳定性评价的研究工作，对采空 区处理、采空区构筑物布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际应用 价值。 1 2 国内外研究现状 桥隧下伏采空区的变形和破坏规律及其稳定性评价在国内外都属于一个较新的 课题。目前国内外对在建筑物下、铁路下和河流下采煤引起的岩层移动、地表沉陷 太原理工大学硕士研究生学位论文 及其对建筑物的破坏方面已经作了大量的研究工作，然而对于老采空区在动荷载或 静荷载作用下的地基稳定性评价、采空区地基处理范围的界定等方面的研究成果甚 少。上世纪7 0 年代，j o n e s 等人【1 1 研究了采矿塌落对公路的影响；8 0 年代以来，j o n e s l 2 1 、 s e r g e a n t 3 1 、m c w a n 9 1 4 1 等人又分别研究了采矿及下伏空洞空洞对建筑物地基的危 害。这些研究都是建立在经验和调查的基础上，没有系统的普遍规律。此外，欧美 国家一些专家学者也不同程度地研究了洞穴的塌陷对地面基础工程的影响。 采空区上方修建公路构筑物的关键问题是对采空区建筑地基的稳定性评价问题。 目前，国内外文献中有关老采空区建筑地基稳定性定量评价的方法主要有以下几种。 1 力平衡分析法 工程地质手册( 第四版) 【5 】中提供了临界深度的计算公式，用以评价采空区场 地建筑的适宜性。 如图1 1 所示，矿层采空后其顶 板岩块a b c d 因重力的作用而下沉， 两边的楔体a b m 和c d n 也对其旅以水 平压力尸。因此，在a b 和c d 两个面上 又受到因p 的作用而产生的摩阻力厂的 抵抗。现取采空段( 巷道) 单位长度为 计算单元，则作用在巷道顶板的压力为： mbl 。n p o pj p i f f a c b 图1 - 1 采空区顶板稳定性示意图 f i 9 1 1t h es k e t c hm a po ft h et o ps t a b i l i t yo fg o a f q = w - 2 f 其中：w = b h y = p t a n 伊= 丢2 切n 缈t a n 2 ( 4 5 。一訇 尸：型t a n 2 f ，4 5 。一里、1 2 l 2 j ( 1 2 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 式中：q 一巷道单位长度顶板上所受的压力( k n m ) ； w 一巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力( k n m ) 尸一楔体a b m 和c d n 作用在a b 和c d 面上的主压应力的最大值( k n m ) ； 厂一巷道单位长度侧壁的摩阻力( k n m ) ； 日一巷道顶板的埋藏深度( m ) ； 曰一巷道宽度( m ) ； 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 当建筑物建在采空区上时( 设建筑物基底单位压力为p 。) ，根据力平衡分析， 贝0 ：o = w + 置p 。一2 厂 ( 1 - 5 ) 吼q = 形+ 印。叫= y h i b - h t a n 咖2 ( 4 5 。一詈) + 印。 6 ， 当h 增大到某一深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡状态( 即q = 0 ) ，此时的h 称为临界深度h 。，则得临界深度计算公式： 耻型竺2ytanfotan 4 5 7 ， 2 (o 一詈) 当h 1 5 h o 时， 腾永海等【6 提出了以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重叠 建筑物 建筑物 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 心o 8 旷叼 c 心q 0 1 0 1 附加应力等值线 厂 忙j ( a ) 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 口口口口口 ，r恕朔 图i - 2 冒落裂隙带与建筑荷载影响深度的关系 f i gl - 2t h er e l a t i o no fc a v i n ga n df r a c t u r e dz o n ea n db u i l d i n gl o a di n f l u e n c ed e p t h 如图1 2 所示，冒落裂隙带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在3 种情况。 其中建筑物荷载影响深度是由地基产生的附加应力决定，即当地基中附加应力 太原理工大学硕士研究生学位论文 盯：= 0 1 0 。( 盯。为自重应力) 时，把此时的深度z 作为建筑物荷载影响深度。 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面之间有一定的距离( 1 - 2 a ) 时，这 种情况不会影响冒落裂隙带的稳定性。 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带项界面正好接触( 图1 - 2 b ) 时，这种情况 建筑物荷载为临界荷载。 当建筑物荷载影响深度进入冒落裂隙带内( 图1 - 2 c ) 时，这种情况建筑物荷载 会影响冒落裂隙带的稳定性，建筑物会受到较大不均匀沉降的影响。 该方法难以考虑上覆岩层复杂的地质构造条件及冒落裂缝带的后期变化，而且也 只能算做一种定性分析方法。 3 数值分析法 采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极其复杂的问题，它不仅和开采煤层的 厚度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态、场地地形地 貌、地质构造、水文地质条件以及煤矿开采方法、开采面积、开采次数、顶板管理方 法等地质采矿条件有关，而且也和新建建筑物荷载的大小、位置、基础的类型等密切 相关。对于地质采矿条件的多样性、因素影响的复杂系统，采用数值方法进行计算成 为首选方法。8 0 年代后期，s i r i v a r d a n 和a m a n d a 阴、x l y a o 【8 】、w o o d 9 1 等学者相继 运用有限元和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度、覆岩产生离 层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度等；康建荣【1 0 】运用相似材料模拟和离散元 法研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多 工作面、多开采线段的开采沉陷预计系统。这些研究成果为进一步研究老采空区在建 筑物荷载作用下的地基稳定性问题奠定了基础。 常江【l l 】以弹塑性理论为依据，将老采空区地层概化为一个连续介质和碎裂介质的 耦合体，运用有限元法分析了不同覆岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响；孙忠弟 等【1 2 】在研究高等级公路下伏空洞对路基场地稳定性的影响时，开发了二维弹塑性理论 有限单元法计算软件。 研究老采空区建筑地基稳定性及其变形破坏规律，是当前发展和应用采空区地基 处理技术迫在眉捷的研究课题。张永波【1 3 】等应用现场开采沉陷观测、相似材料模拟试 验方法，研究采动覆岩的移动和岩体的损伤破坏规律，探讨老采空区上覆岩体在荷载 作用下的变形和破坏规律，系统地探讨建筑物荷载大小、相对位置以及采空区采深、 采深采厚比、上覆松散层厚度等对建筑物地基稳定性的影响。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 虽然存在上述研究成果，但是由于采空区的隐蔽性，工程的复杂性，目前国内外 对桥隧基础下采空区稳定性评价的研究仍然十分薄弱，采空区在构筑物荷载作用下地 基发生沉降、变形机理的关键问题亟待解决。 1 3 研究内容 本文以离一军高速公路矾水沟大桥、康家沟大桥和师婆沟隧道下伏采空区为背景， 运用相似材料模拟试验方法，对采动岩层的移动变形规律进行研究，并对构筑物荷载对 采空区地基稳定性的影响进行模拟研究分析。具体研究内容如下： ( 1 )研究覆岩的垮落过程以及采动覆岩移动和地表沉陷规律变形特征； ( 2 )观察采煤过程中裂隙的动态发育规律； ( 3 )研究在构筑物荷载作用下地表变形规律； ( 4 )运用分形几何理论，研究采动岩体分形裂隙网络的演化规律； ( 5 )应用损伤力学理论，探讨采动引起覆岩体的损伤破坏规律； ( 6 )通过模型实验与实际采空相对比找出采空区最佳治理方案，提出合理治理范 围，为今后类似工程提供可借鉴经验。 1 4 研究方法及技术路线 ( 1 ) 在现场调查和对试验基地已有资料分析整理的基础上，查明研究区公路走向与 开采方向的关系、地形地貌、地层岩性、岩石物理力学性质、地质构造、水文地质条件、 开采煤层的厚度、倾角、埋深以及煤矿的开采方法、开采范围、顶板管理方法等地质采 矿条件。 ( 2 ) 根据收集的资料选择合适的地段、合适的构筑物对模型进行设计，建立理想的 物理模型试验点，现场取完整岩心并做物理力学指标。 ( 3 ) 模拟开采沉陷过程，研究采动覆岩的移动规律与地表沉陷规律。 ( 4 ) 在模拟开采的同时，统计裂隙发育，依据分型几何理论研究裂隙的发育规律， 统计岩层损伤变量。 ( 5 ) 分区域模拟注浆、模拟加载，研究荷载对采空区稳定性的影响，对高速公路桥 隧下伏采空区稳定性进行分析。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1工程概况 第二章工程概况及地质采矿条件 新建离军高速公路是青岛至银川国道主干线在山西省境内的组成部分，起点位于离 石市王家塔，与建汾阳至离石高速公路相接，途经贺家塔、梁家会、王家会、卧虎湾、 上青龙、锄沟、矾水沟、康家沟、师婆沟、沙曲，跨越- - ) l l 河，再经薛村、郭家沟煤矿， 翻越八盘山和格老湾，横跨黄河至陕西吴堡。沿线地形起伏大，线路全长约3 8 5 4 2 k m 。 高速公路k 1 7 + 4 1 5 k 1 7 + 8 4 0 、l k l 7 + 4 9 0 l k l 7 + 8 4 0 段，穿越青龙煤矿采空区， 采空区总长度7 7 5 m ，涉及到重要构筑物大雨亮隧道；高速公路k 1 8 + 6 9 0 k 2 0 + 4 8 0 、 l k l 8 + 7 1 5 l k 2 0 + 5 5 0 ，穿越同德煤矿采空区，采空区总长2 6 0 5 m ，涉及矾水沟大桥、 师婆沟左线大桥、师婆沟隧道和闫家条隧道及路基；高速公路k 2 0 + 5 5 0 k 2 1 + 3 4 0 、 l k 2 0 + 6 2 0 k 2 1 + 3 4 0 段，穿越师婆沟煤矿采空区，采空区总长度1 2 4 0 m ，影响路基； 高速公路k 2 l + 3 4 0 k 2 1 + 9 1 0 、k 2 1 + 3 4 0 - - - l k 2 1 + 9 0 0 段，穿越采康家沟煤矿采空区，采 空区总长度5 9 0 m ，涉及康家沟大桥、庙梁隧道及路基( 如图2 1 所示) 。 2 2 研究区地质采矿条件 2 2 1 地层岩性 研究区揭露地层自上而下分别为第四系、第三系、二叠系和石炭系，简述如下： ( 1 ) 第四系全新统沱阳组( q 4 2 t ) ：为现代河床、河漫滩沉积，主要由冲积和洪积 堆积的杂色碎石土和砂土组成，分布在三川河和沟谷一带。结构松散稍密，厚度l 1 0 m 。 ( 2 ) 第四系全新统选任组( q 4 1 x ) ：分布于- - ) l l 河及河谷两侧i 级河谷阶地，下部 主要为河床相碎石土，上部主要为河漫滩相砂土和粉土。具双层结构，厚度2 5 m 。 ( 3 ) 第四系上更新统峙峪组( q 3 s ) ：分布于- - ) j l 河河谷i i 级阶地上，为一套冲积 为主夹洪积的沉积物。结构稍密中密，岩性为粘土、粉土夹透镜状砂土和碎石土，土 质疏松，具多层结构类型，厚度1 0 一- - 2 0 m 。 ( 4 ) 第四系上更新统马兰组( q 3 m ) ：覆盖于梁、源、峁上，属风积物，硬塑坚 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 硬状态，垂直节理发育。具有大孔隙，均一结构类型，厚度5 - 4 0 m 。 ( 5 ) 第四系中更新统离石组( q 2 1 ) ：分布于梁、塬、峁及冲沟两侧，为风积及冲 积形成，岩性以黄土为主，颜色为棕黄色、浅棕红色亚粘土，夹数层棕色古土壤层、钙 质结核层及透镜状砂卵石层，硬塑一坚硬状态，柱状节理发育，多层结构类型。厚度2 0 - - 5 0 m 。 ( 6 ) 第三系上统保德组( n ：b ) ：角度不整合在下伏基岩之上，为一套深红色粘土， 坚硬，含铁锰质膜。局部地段底部发育砾石层，厚度约1 5 m 。 ( 7 ) 二叠系石千峰组( p 2 s h ) ：岩性为红、深红、紫红色粉细砂岩夹中厚层细粗 粒长石砂岩及钙质结核层。本组厚度约1 8 0 m 。 ( 8 ) 二叠系上石盒子组( p 2 s ) ：出露于师婆沟煤矿及康家沟煤矿一带，岩性为灰 绿、黄绿、灰紫色页岩与灰绿色长石石英杂砂岩互层，由下向上紫色页岩逐渐增多，浅 黄、灰黄、浅灰色中细砂岩和泥岩组成。其底部标志层岩性为紫红色、灰黄色铝土质鲕 粒泥岩( 俗称桃花泥岩) ，含丰富的铁锰质。本组厚度约3 9 0 m 。 ( 9 ) 二叠系下统下石盒子组( p l x ) - 零星出露，岩性主要为灰白色砂岩、灰黑色 泥岩及粉砂岩组成，下部夹煤线。本组厚度约7 0 m 。 ( 1 0 ) 二叠系下统山西组( p 1 s ) ：出露于青龙煤矿、同德焦煤公司一带，下部为灰 黑色炭质页岩、砂质页岩、粉砂岩夹中厚层细粒石英杂砂岩、长石岩屑砂岩及煤层( 4 # 、 5 撑) 。上部为灰褐色砂质泥岩夹长石石英砂岩及煤线( 1 # 、矿、3 # ) 。其中4 # 煤层较稳定， 钻孔曾揭露煤层最大厚度4 3 m ，4 # 煤层为主采煤，采厚一般2 3 m ；5 # 煤层厚度2 5 m 。 本组厚度约5 0 m 。 ( 1 1 ) 石炭系太原组( c 3 t ) ：底部为山西式铁矿；下部为鲕状铝质泥岩及致密块状 铝质粘土岩；中部为灰黑色泥岩、粘土岩、砂质页岩，夹中细粒石英杂砂岩，透镜状含 生物碎屑灰岩及煤层( 8 撑、9 # 、l o # ) ，煤层厚度变化较大，为可采煤，以1 0 # 煤为主，局 部合并；上部为三层厚层状灰岩夹泥质粉砂岩、页岩、长石石英杂砂岩及薄煤层。本组 厚度约1 0 5 m 。 2 2 2 采空区分布情况 新建线路沿线有四处煤矿采空区对工程造成严重影响，煤矿分布见图2 1 。 ( 1 ) 高速公路k 1 7 + 4 1 5 k 1 7 + 8 4 0 ，l k l 7 + 4 9 0 l k l 7 + 8 4 0 段穿越青龙煤矿采空 区。煤矿性质为村办，7 5 年开采至今，斜井开拓，开采1 0 # 煤层，采厚1 8 m ，年实际生 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 产能力1 万吨，斜井尺寸宽度2 8 m ，高度2 4 m ，煤层埋深5 0 - - - 1 4 0 m ，采空区位于设计 标高以下4 0 - - 8 0 米，煤层底板标高7 7 0 - - 8 2 0 m ，岩层产状为2 2 0 。么4 。，煤柱支撑，仓 房式开采，回采率4 0 。顶板为泥岩、底板为砂岩，少量淋水，主斜井井口位于线路里 程桩号k 1 7 + 2 5 0 右9 0 m ，主斜井以方位1 7 1 0 ，坡角5 0 斜穿右线k 1 7 + 3 6 0 k 1 7 + 3 8 0 ， 斜穿左线l k l 7 + 4 2 0 u 【1 7 + 4 4 0 ，巷道位于线位下3 5 - - 4 5 m 。副井井口位于线路里程桩 k 1 7 + 2 7 0 右5 0 m ，回风大巷以方位1 6 4 。近水平斜穿l k l 7 + 3 6 0 l k l 7 + 3 7 4 ，位于线位下 4 0 - - , 5 0 m 。线路与巷道交角3 5 0 - - 4 5 。主斜井巷道净宽2 8 m ，净高2 4 1 1 1 。 ( 2 ) 高速公路k 1 8 + 6 9 0 - - - k 2 0 + 4 8 0 ，u 【1 8 + 7 1 5 u q o + 5 5 0 段穿越同德煤矿采空 区。同德煤矿1 9 2 6 年开采至2 0 0 6 年，斜井开拓，开采矿煤层，采厚2 3 m ，年实际生 产能力6 0 万吨，埋深6 8 m - - 1 9 2 9 5 m ，顶板岩性为泥岩，底板岩性为泥岩，少量淋水， 煤层产状2 3 7 。z 2 0 - - 6 0 ，长壁式开采，全垮落，回采率8 0 。4 # 煤层与5 # 煤层间距1 0 m ， 巷道一般宽度2 8 m ，巷道位于线路之下9 0 - - 1 0 0 m 。副斜井巷道净宽2 8 m ，净高2 8 m 。 线位之下巷道全部砌碹。k 1 8 + 6 9 0 - - - ，k 1 9 + 0 0 0 为小窑开采形成的古采空区，对应构筑物为 矾水沟大桥。高速公路左线u 【1 9 + 2 6 0 u ( 1 9 + 4 3 0 ，右线k 1 9 + 2 5 0 k 1 9 + 3 1 0 段为双层 采空区，其中4 井煤层回采于1 9 8 7 年，5 并煤层为2 0 0 5 年 - - 2 0 0 6 年回采，开采厚度均为 2 3 米，采空区长度总计2 3 0 米，相关构筑物为师婆沟左线隧道和师婆沟高填涵洞；另 外在高速公路左线u 【1 9 + 4 3 0 l k l 9 + 5 5 0 同样为双层采空区，采空区为2 0 0 5 年 - - - 2 0 0 6 年形成，长度1 2 0 ，构筑物类型为师婆沟高填涵洞。 ( 3 ) 高速公路k 2 0 + 5 5 0 k 2 1 + 3 4 0 ，l l 【2 0 + 6 2 0 u ( 2 1 + 3 4 0 段穿越师婆沟煤矿采 空区。师婆沟煤矿1 9 9 7 年开采至今，立井开拓，开采矿煤层，采厚2 3 m ，年实际生产 能力1 5 万吨，采空区埋深1 8 0 - - - 1 9 0 m ，项板岩性为泥岩，底板岩性为泥岩，少量淋水， 煤层产状2 4 0 0 2 2 0 ，长壁式开采，全垮落，回采率8 0 。 ( 4 ) 高速公路k 2 1 + 3 4 0 - - , k 2 1 + 9 1 0 ，u q l + 3 4 0 l k 2 l 十9 0 0 段穿越康家沟煤矿采 空区。康家沟煤矿1 9 9 7 年开采至今，立井开拓，开采4 群煤层，煤层埋深1 3 0 - - 2 4 5 米， 采厚2 4 1 1 1 ，年实际生产能力4 万吨，采空区位埋深1 3 5 m - - - , 1 8 5 m ，顶板岩性为泥岩，底 板岩性为泥岩，少量淋水，煤层产状2 4 9 0 么4 0 ，长壁式开采，全垮落，回采率8 0 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 o口ii工工一对ou h o q 时u l co一：ljd一i_一q一。n m 一 田梏奄奄磺i-n田 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 试验段地质采矿条件 在综合分析离军线采空区地质勘察成果的基础上，选择三个试验段进行相似材料模 拟试验，具体试验段地质采矿条件及位置如下： ( 1 ) 试验段i ：以同德煤矿采空区地质勘察条件为原型，地质勘察材料见表2 1 ， 对应地表具体构筑物为矾水沟大桥，取矾水沟大桥所在路段l k l 8 + 7 1 5 l k l 8 + 9 1 5 ，长 2 0 0 米，模型总高度8 6 8 c m ，模拟采深为5 9 8 c m 7 5 8 c m 不等，开采方式为小窑开采， 具体开采深度结合实际地面地势而定，模拟开采4 4 煤层，采厚4 c m 。矾水沟大桥地质剖 面图如图2 2 所示，采空区示意图见图2 3 所示。 ( 2 ) 试验段i i ：以康家沟煤矿采空区地质条件为原型，地质勘察材料见表2 2 ， 对应地表实际工程为康家沟大桥l k 2 1 + 3 5 0 l k 2 1 + 6 5 0 ，长3 0 0 米，模型总高度1 9 7 9 4 c m ， 模拟采深1 4 3 4 c m 1 8 2 9 c m 不等，长臂式开采方式，具体采深结合实际地面地势而定， 模拟开采4 “煤层，采厚4 c m 。康家沟大桥( 左线) 原型地形剖面图如图2 4 ，采空区示 意图见图2 5 所示。 ( 3 ) 试验段i i i ：此模型考虑双层采空，以同德煤矿采空区地质勘察条件为依托， 结合师婆沟隧道工程特征，取路线l k l 9 + 1 9 5 l k l 9 + 4 9 5 ，长3 0 0 m ，地质勘察材料见表 2 3 ，模型总高度1 8 1 9 1 c m ，模拟采深4 撑煤层为1 5 2 c m 1 9 2 c m 不等，模拟5 “煤层采深 1 6 9 2 3 c m 一2 0 9 2 3 c m 不等，具体深度结合实际地面地势而定。采厚均为4 c m ，模拟双层 采煤总长度为1 7 0 c m ，师婆沟隧道原型剖面图见图2 - 6 所示，采空范围见图2 7 所示。 1 0 1 & 摆 i nn n寸口n n 罐 口ni n o i n l n | n 寸 刨 避 寸寸寸i n寸o寸n 慧 霍 钕 据 u r n寸l n卜 - nn 舔 o o oo - _ i ni n寸 - _ - _l n 桀 倒q 慧是 l nv 、 口 l nl ，、 卜 卜 i n ano 器eon v o n o寸寸 螺毋 瑙。 囊急 i n t n 寸 l n o oi n 口l nn no 口 o t n 寸 i n 出e 卜 - 一 q 。 寸i n 。 - _ n o n 寸 卜 卜 ，。_ 卜 ，_ 寸 - 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n心 对讶 乙u uu i a u lu lu l 乙nu l厶 詈瞬 o厶u 乙n 厶0 0u卜) o0 0 o o o o oo oo o ooo o 盖 ua 飞蓠 - _ o j- 一uu l- 一u - 一 u l0 0u i - 一 0 0 o 乙 、ou oo oo o 兀 - 一 - _ - 一 0 0 - 一 夸洋 - - _ 口。0 0q - - n - 一 今离 o 口 厶 - - a岔a u u l u - - 乙闻 u i o u ia - 一0 0_ - - a u u 厶l u i 乒洋 a厶- 一 p - - - l o厶o 厶 今茁 o ul 宝 u iu j 乙海 岔l 小u 昏u l o au ia 群 l - 一 t k _ 潮 oo oou j3 - _ u_ n 洋 蹬 甚 崩 祷 河 uo 金 蒋 厶 u i b l ，- 盐 u a 弋k 1 孓 援 寸 口n寸口 l n 荨 i n 寸 l n n 刨 肇 t q omo寸 慧 避 长 瓠 堰 u r t - -n- 一nnn no 0 0 o 0 0 o 醮 i -寸 - 。l n ，一寸 舞 剑。 爱尝 n 口o n寸| n寸口i n心t q 寸n i n 。nn。l n - - _ 型邑 寸o i n ”a _h t q寸一寸寸n寸 辐 魁1 l n l n 寸l n ni n 0 0 霞冬 n n 寸 _ 卜 0 0_ n 幽皂 卜n 口口寸 文 。n n- - n l n _ 卜0 0o岔 - _ 寸 岔 o t n n 西 n t _ 岔 _ 一 _- _ 寸 。_ 摄 u 塞过 o 。o i n l no 0 0_i n。o l nn 0 0 n h l nnhn n 一寸nn 1 nnn 婴 o oo o o oo o oo o o oo 例是 l n q n寸 、 口寸口n o昏口n i ni nv 1 i n i n寸v in_ ni nn n n 谗旱 nt qt qn n nn n 叫 n nr 一nt q o 咖 一 寸寸 _ _ 卜 一 卜 咕 口nl ni nn 鎏r r p 3 r 卜口卜 o o_o 寸o _ l non 蓉啬9 。o o 。 _ - 一一 - 。_- _ o ，。_f - 倒h o 。 窝 寸 寸卜 一 凸 。 擘管 o t q 岔寸n口口o小n凸 卜- 一t - -n o寸 一 寸 nl n也 o卜 o o i n h - 一 _，_t _ _ - 一 _ 。_ 盘。 l nn 一_i nh n n 乱 卜 a _ - - _ 、中 , i - 4 碟 璧冒 o no o o oh岔c , i n 寸 o o on n o n i n a n 。_ o n o o o 寸 卜卜 寸 喽占 i n 寸寸 卜 n 口寸岔 n 寸 n r _- _ t - q w - i - _ 。_ l nl n 藩j 沁永 杂 和 嗵 杂 昶喽 婶刊 昶熙 ：念 赠 杂熙杂昶 蝼 诠昶杂 蹬极念蜂梨蜓熙峰熙#嚷 念蝼 岳 #熙念 昶 会器 叁念 甘 熙 旧 p t q n寸 i n口卜o o a on n寸i n 蒜 _h- v - 1 一 qo它口一一爵uii时iiuo_ii_uo醋hhh o“g一时_iiogqa)(nnd_芦 婆器特r尉葵巡酞hii窜帮-n 仪秘遥扑州妖喜书隧扑长h剐隧杉 暑 太原理工大学硕士研究生学位论文 量量基 1 4 t 口6 e 9 ；0 6 g 9 e 3 群 鼍 蠢 oo o z + 0 0 0 0 + 6 l ，1 o o z 霉 oo 口“ 00 0 1 + 8 1 1 i 帝 掣 群 删 o m 口= d 30m一；lic盘铀。七砖lld o 一长o 1 q o一瑚。一ooo n n 咖皿 cii恒雨喀毋转裳苌n-z c l i 霉盘笤 o ；2 o p o西 v 群量 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 om它ijd：omjc盘ko工o：io)io一芯lli_工l矗i锄四一口时oo n 。“一 匝艟恬凶州啭蜒霹妥n文匝 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 o口ijd=o眦时一一mc)【oo芑醇l【o oced一龇。一ooo寸n比一 6lj咀雨喀霉一餐q一察s铸鹾寸n田 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 7 o比可ijd jo比四一一雠c砖)ikoo=lo)i。一苗_uiii时i旨一口时oo 田艟恬j11斜谣转求震撼 鹾”文田 叩n 兽皿 太原理工大学硕士研究生学位论文 塞萤量量量导c o 萤8 c o 量量量垦虽 o ) o o )。o 。 卜ik芝 1 8 一occ=-30mociliko_i时lld o l j 2 q omoooon比!瞄 匝咀雨喀聋纠型母5琳嬖啦式cij 1 9 一occj_flomoqc-oo-o)io；对lie盘考一乜，日oo卜ni山 6lj档恬凶黼*嘲型足球娶n c l j 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章实验模型的设计 3 1相似模拟实验简述 3 1 1 相似模拟原理 相似模拟是指基本现象相同情况下的模拟。这时模型与原型的所有物理量相同，物 理本质一致，区别只在于各物理量的大小比例不同。因此，相似材料模拟也可说成是保 持物理本质一致的模拟【1 4 1 。 在岩土工程、矿业工程学科中应用较为广泛的为相似材料模型模拟。用相似材料模 拟方法研究岩层移动的实质是，根据相似原理，将研究区岩层以一定比例缩小，用相似 材料制成模型，然后对模型中的煤层、矿物模拟实际情况进行“开采”，观测模型上的 岩层、地表由于“开采”引起的移动、变形和破坏形式，寻找采动影响范围，分析推测 实际地层所发生的情况。 在进