毕业设计（论文）-动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究.doc

辽宁工程技术大学毕业设计(论文) I 中文题目：动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 外文题目：STUDYSTUDY ONON THETHE STABILITYSTABILITY OFOF GOAFGOAF HIGHWAYHIGHWAY ROADBEDROADBED UNDERUNDER DYNAMICDYNAMIC DISTURBANCEDISTURBANCE 毕业设计（论文）共 85 页 完成日期 2015 年 6 月 答辩日期 2015 年 6 月 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 II 摘 要 为分析动力扰动作用下采空区路基的稳定性，以辽宁省凤城市爱阳镇一条下伏采空 区的三级公路为研究对象，采用室内试验方法对采空区上覆岩层的基本物理、力学性质 进行了研究，并基于弹性板理论，建立了交通荷载和自重应力共同作用下的采空区煤 柱顶板体系力学模型，采用 FLAC3D软件对地震和采动耦合作用下的采空区稳定性进行 了数值模拟，采用正交试验方法进行了建筑垃圾制备充填膏体的配合比设计，研究结果 表明： （1）采空区直接顶板处的页岩已经冒落，页岩上部的花岗岩层作为较为坚硬的关键 层，支撑上覆岩层和路基的自重应力和交通荷载； （2）建立了动静荷载耦合作用下的采空区顶板煤柱力学模型，该模型能够较为 准确地描述交通荷载和覆岩自重应力作用下的采空区顶板煤柱的受力特征； （3）数值模拟的结果表明：在地震和采动耦合作用下，路基出现了较大的下沉，对 公路稳定性影响较大；在采空区上方出现了应力集中和塑性区，顶板失稳，采空区受到 地震荷载作用下出现了“活化” ，诱发上覆岩层的移动和变形；水平移动呈现不规则的现 象，地表将出现拉伸裂缝，受水平移动影响，道路中心线出现了偏移，对道路安全影响 较大。 （4）采用建筑垃圾作为骨料，制备满足矿山生产实践的膏体充填材料，与煤矸石骨 料膏体充填材料相比，建筑垃圾骨料膏体充填材料可以避免煤矸石骨料遇水膨胀的缺点， 而且可以在满足坍落度要求的前提下选取更大的质量浓度； （5）在建筑垃圾骨料制备膏体充填材料过程中，对坍落度影响最为显著的因素是质 量浓度，对 3d 强度和弹性模量影响显著的因素是水灰比和质量浓度，对 28d 强度和弹性 模量影响显著的因素是水灰比和粉煤灰用量； （6）根据矿山生产实践要求，综合考虑经济和使用要求，确定质量浓度为 83%，水 灰比为 2.5，砂率为 65%，粉煤灰用量为 250kg/m3时为最优配合比。 关键词关键词：动力扰动；采空区路基；力学模型；地震采动耦合；建筑垃圾；充填膏体 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) III ABSTRACT In order to analysis the stability of goaf roadbed under the dynamic load disturbance, studying one of the underlying goafs tertiary roads of Aiyang Town of Fengcheng City, Liaoning Province.Using indoor test methods to study the fundamental physics and mechanical properties of the mined rock, and based on the elastic plate theory, a goaf - pillar - mechanical model roof system is built under the traffic load and weight stress joint action.Using software FLAC3D conduct a numerical simulation about the stability of goaf under the earthquake and mining action coupling reaction, orthogonal experiment methods are carried for using construction waste to prepare filled paste , the study results showed that: (1) Shale at the ceiling of the goaf has been falling. As a key layer, granite,the upper part of the layer of shale,is more rigid, supporting gravity stress and traffic loading from overburden and subgrade; (2) The establishment of a goaf- roof - pillars mechanics model under static and dynamic load coupling can practically describe the goaf - roof pillars force features under the gravity stress and traffic loading from overburden and subgrade; (3) Numerical simulation show that: In coupling earthquake and exploiting ,there is great roadbed subsidence,and it has a greater impact on stability; In the top of the goaf,stress concentration,plastic zone and roof instability appear,the empty area appear the activationunder the seismic loading,leading to the movement and deformation of the overburden; Horizontal movement is irregular, tension cracks will appear in the surface. Affected by horizontal movement, the centerline of the road appeared offset which has a greater impact on road safety. (4) Using of construction waste as an aggregate, can be prepared to meet the paste filling material for the mine production practices. Compared with the paste filling material of gangue, the paste filling material of construction waste can avoid the shortcomings of gangue that it is water expansioned, and can choose a larger mass concentration in meeting the requirements of the premise slump; (5) In the course of using construction waste as an aggregate to prepare paste filling material, the most significant factor to slump is the mass concentration.As for the 3d strength and modulus of elasticity, the water-cement ratio and the mass concentration significantly affecte.And what affect the strength and modulus of elasticity of 28d significantly is the amount of water-cement ratio and fly ash; (6) According to mine production practical requirements and considering the economic and the use requirements,the optimal mixture ratio is the mass concentration of 83%, water-cement ratio of 2.5, sand of 65%, the fly ash of 250 kg/m3. Key Words: dynamic disturbance; goaf foundation; mechanical model; the earthquake and mining action coupling reaction; construction waste; filling plaste 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 1 目 录 1 绪论.1 1.1 工程背景及对应的科学问题 .1 1.2 国内外研究现状及存在的问题 .2 1.2.1 采空区的力学模型方面.2 1.2.2 采空区与公路之间相互作用机理方面.4 1.2.3 采空区路基的加固方面.6 1.2.4 研究存在的问题.8 1.3 研究内容 .8 1.4 技术路线 .9 1.5 创新点 .10 2 采空区上覆岩层物理、力学性质试验.12 2.1 自然地理条件及矿山开采概况 .12 2.1.1 地理位置.12 2.1.2 气象与水文.13 2.1.3 地形地貌.13 2.1.4 地层岩性.13 2.1.5 工程地质条件及地质构造.14 2.2 采空区上覆岩层基本物理、力学性质试验.15 2.2.1 块体密度试验.16 2.2.2 吸水性试验.17 2.2.3 单轴压缩试验.19 2.2.4 三轴压缩试验.22 2.2.5 抗拉强度试验.26 2.3 本章小结 .29 3 动静荷载耦合作用下采空区煤柱顶板力学模型.30 3.1 力学模型概化与公式推导 .30 3.1.1 基本假设.30 3.1.2 力学模型的建立.30 3.1.3 采空区煤柱顶板体系微分方程的建立.30 3.1.4 微分方程的求解.31 3.2 工程应用 .33 3.2.1 工程概况.33 3.2.2 挠度值计算.33 3.3 本章小结 .34 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 2 4 地震和采动耦合作用下采空区路基稳定性数值模拟研究.35 4.1 引言 .35 4.2 地震波输入 .35 4.2 几何模型的建立 .37 4.3 位移场分析 .38 4.4 应力场分析 .39 4.5 本章小结 .41 5 建筑垃圾骨料制备膏体充填材料的正交试验研究.42 5.1 试 验.43 5.1.1 试验材料.43 5.1.2 正交试验设计.43 5.2 结果与讨论 .45 5.2.1 试验结果.45 5.2.2 试验结果分析.46 5.3 本章小结 .52 6 结论与展望.53 6.1 结论 .53 6.2 下一步工作建议 .54 致谢.55 参考文献.56 附录.60 1 绪 论 1.1 工程背景及对应的科学问题 随着公路事业在我国各处的蓬勃发展，采空区的存在对我国公路的修建产生了巨大 的影响。目前，我国许多公路都有下伏采空区的存在，例如，晋焦高速公路山西段， 乌奎高速公路乌市西四道岔段，包西线神木北至延安段，石太公路柏井、冶西采 空区以及京福高速公路徐州东段等。研究采空区对公路修建的危害，在未来矿区修建 高速公路中是一个亟待研究解决的新问题。采空区对高速公路产生的危害主要有以下几 种方式：采空区的失稳冒落，地表的剧烈变形，产生陷坑、台阶等；路基沉陷，造成路 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 3 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，导致行驰车辆重心偏移，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等。采空 区造成的损失无法用具体的数字来估量，仅以山西省为例，山西省发改委 2008 年进行摸 底调查的结果显示，改革开放以来，山西累计生产原煤近百亿吨，形成 63 亿 m3的采空 区，采空区面积 5115 km2，引发的地表沉陷面积达 2978km2，造成矿山地面塌陷、地裂缝、 滑坡、崩塌约 2146 处，3309 个村庄、66 万人受到影响，1082 km2的耕地、42.6 km2的林 地遭到破坏。据山西省国土部门的资料显示，至 2015 年，山西煤炭开采导致生态环境经 济损失至少达 770 亿元；至 2020 年，煤炭开采导致生态环境经济损失至少达 850 亿元,。 采空区上方兴建高速公路后，地表的移动和变形可能并没有结束，而是存在一定程 度的残余变形，当采空区受到在动力载荷的扰动时，可能诱发了采空区本身的“活化” 。 随着残余变形的增长以及动力荷载的作用，进而引起上覆岩层的“三带”发生变化。因 此，动力扰动作用下公路路基的稳定性研究就成为广大道路工作者必须面对和解决的问 题。 1.2 国内外研究现状及存在的问题 在阅读研究大量国内外有关采空区受力分析的文献资料后，采空区上方动力扰动作 用下公路路基的稳定性的研究主要有以下三个方面：采空区的力学模型、采空区与高速 公路的相互作用机理以及采空区路基的加固。下面对这几个主要方面的国内外研究现状 进行简要的概述。 1.2.1 采空区的力学模型方面 由于采空区的各种受力条件比较复杂，为了更加准确的得到关于采空区的各种真实 情况，国内外利用各种力学模型对其进行了大量仔细的研究。尹光志等以弹性理论为基 1 础，将上覆岩层假设为岩板，建立了上覆岩层变形的力学模型，研究上覆岩层的变形特 征，得到了采动覆岩的挠度方程和计算最大挠度点的理论公式。王金安等建立了采空 2 区矿柱-顶板体系流变力学模型，得出在矿柱支撑下，采空区顶板受流变作用下的位移控 制方程，并利用结论对采空区顶板破坏的不同阶段进行分析讨论。王树仁等基于 3 Reissner 厚板理论，在考虑施工机械的动荷载作用的前提下，概化出采空区顶板的力学模 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 4 型，推导出了在集中简谐动荷载的作用下采空区顶板的挠度方程和内力表达式，得到了 动荷载作用下顶板厚跨比、动荷载振动频率变化时采空区顶板应力和挠度变化的规律。 柳小波等基于四边固支矩形薄板的纳维叶解法，得到了均布荷载与集中荷载作用下矩 4 形顶板的挠度方程与应力表达式。分析得到四边固支矩形板厚度、荷载大小、板的尺寸 以及泊松比是影响应力的主要因素，在均布荷载与集中荷载作用下板的中心以及长边的 中点处是高应力出现的位置。祝方才等根据 Reissner 厚板理论，并考虑超载的作用，建 5 立了轴对称圆板模型，控制条件为拉破坏时，得到了顶板安全厚度的解析解。控制条件 为剪切破坏，推导得到了在考虑剪切导致的拉应力控制和剪应力控制的情况下计算顶板 安全厚度的公式。江学良等视岩石为理想的弹塑性介质，分析岩石本构关系对改进梁 6 的影响时采用梁柱理论，将模型的受力状态简化为三种状态，即弹性状态、拉伸屈服或 压缩屈服状态、拉压屈服并存状态，并根据不同受力状态推导出了不同的广义弯矩轴 力曲率关系。屠洪盛等根据急倾斜煤层工作面顶底板的地质条件及利用冒落矸石进 7 行填充时工作面下部采空区的充填特征，利用小挠度弹性薄板理论，建立了急倾斜工作 面受力顶板的力学模型，研究了顶板在上覆岩层和下方充填矸石双重作用下顶板的变形 特征，推导出了计算急倾斜工作面下部采空区充填带宽度的理论公式和顶板变形的挠度 方程。吴侃等利用采动岩体的动态模型，研究了采动引起的覆岩移动破坏的时空规律， 8 分析了断裂带发育发展规律、岩体内部离层发生发展规律、地表下沉等问题，并根据观 测结果得出了更为复合实际的解释。孙小康等以采空区下回巷道变形破坏严重难以支 9 护且具有明显非对称性特征这一实际现象为依据，运用理论分析和数值模拟等方法，参 照具体的工程实践，建立了区段煤柱力学模型，对煤柱支撑压力作用下底板岩层分布规 律进行了研究，为非对称变形巷道的支护提供了理论依据，对非对称变形巷道围岩控制 具有重要的现实和理论指导意义。张建等根据采空区上覆岩体的地层和厚度分布的不 10 同，以力学平衡方法为基础，采用不同的分析方法，提出了将采空区上覆岩体的相对应 的临界厚度作为评价指标，在被动侧向压力情况下的力学模型，以及将抗滑安全系数作 为评价指标，在主动侧向压力情况下的力学模型。这两种模型分别适用于上覆岩层较厚 和较薄的两种情况下的采空区稳定性评价。丁桂伶等借助于有限元分析软件，建立了 11 三维状态下的数值地质力学模型，计算并分析了采空区上方矸石岩土混合型边坡分别 在在天然状态、饱和状态下的安全系数，同时计算了采空区上方房屋的沉降变形，最终 针对采空区上方矸石岩土混合型边坡的稳定性以及滑坡危险性进行了预测评估。朱建 新等利用三维激光探测仪进行探测，得到了空区的三维形态及分布状况，并以此建立 12 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 5 了空区的实际模型。在以此模型为基础，通过耦合技术用 FlAC3D进行数值分析，最后将 监测结果与数值模拟进行比对，综合两者对采空区稳定性进行分析与评价。武崇福等 基于 Reissner 厚板理论，采用加权余量法进行求解，概化得到了采空区顶板的力学模 13 型。将四边固定与四边铰接设置为边界条件，考虑受到的均布荷载作用，推导出了均布 荷载作用下岩溶及采空区顶板的挠度方程和内力表达式，揭示了在顶板厚跨比的变化的 前提下，均布荷载作用下顶板应力和挠度的变化规律。并结合实际工程，对挠度计算方 法的合理与准确性进行验证。 上述这些研究大多数都只是研究了在静力荷载作用下，根据静力学理论，将采空区 上方的岩石覆层简化为拱、薄板、厚板等力学模型，推导出理论计算公式，对研究动力 荷载作用下的采空区上覆岩层与高速公路之间的相互作用关系研究不足，对动静荷载耦 合作用下采空区路基的稳定性研究未见报道，有待进一步的研究。 1.2.2 采空区与公路之间相互作用机理方面 现有的研究资料中对采空区与公路之间相互作用的机理有一些研究，但存在明显的 不足。童立元等对公路的采动响应特征、采空区的二次活化机制、不同工况条件下采 14】 空区地表移动与变形规律 3 个方面进行了有限元数值分析，研究了高速公路与下伏采空 区之间的相互作用关系。概化分析公路路线与采空区处于的不同空间关系时，地表移动 变形的发展规律。同时，概括总结了不同情况下采空区的特征、变形与破坏特征以及二 次活化机制和危害性的评价方法；系统总结考虑在公路、采空区、采矿特征、处治方式 等各种因素影响下，工况组合情况不同时若干采空区剩余移动与变形的规律。张向东等 运用有限元软件 ADINA 对高速公路下伏采空区进行模拟，模拟考虑了采空区覆岩体三 15 带：冒落带、裂隙带和弯曲变形带。通过使采空区位置单元的“死”与“生”单元之间 的转换，并在活单元中输入新的计算参数进而达到计算目的。建立三维模型模拟采空区 与高速公路空间位置影响，并模拟了采空区倾角、内部填充效果、深厚比等不同，探讨 规律，以此为基础编制了 MATLAB 软件预测程序。张志沛等使用有限元数值模拟方法 16 研究了某高速公路下伏煤层随采矿过程的变化规律并对煤层开挖前后整个岩体中的应力、 应变状况及塑性区变化规律进行了模拟；对高速公路修建后煤矿采空区的应力与变形特 征进行分析与评价，并评价和预测采空区的长期稳定性。陈晓彬等以现有的应用于岩 17 土工程领域的随机介质理论的研究成果为基础，建立了高速公路采空区地面变形计算模 型，在此基础上编制出了 GSM 和 POBA 计算程序，使高速公路采空区地面变形计算问题 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 6 成功得到解决。推导计算出了高速公路地面变形控制指标，为实际工程问题的解决提供 理论依据。王生俊等根据采空区冒落带具有的力学特征，将横波参数、瑞雷波参数与 18 岩体静力学进行类比分析，得到了工程岩体参数评价指标。针对采空区冒落带当前特征， 使用 FLAC3D软件计算了高速公路下伏采空区剩余沉降量，为采空区剩余沉降量求解计算 提供了一种新的途径。芮勇勤等利用 InSAR 与 GPS 融合技术，对高速公路采空区影响 19 的变形监测与评价进行了研究。提出利用 LAMBDA 相位解缠算法解决 D-InSAR 条带变 形信息的稀疏相位解缠问题，并推导出了合适的解算模型，获取了采空区高速公路 D- InSAR 条带变形时间序列。吴盛才等采用概率积分法预测计算了采空区地表移动及变 20 形值，计算得到了上方变形曲线；进而根据预计后的变形曲线，对采空区的稳定性坐出 准确地评价。童立元等对采空区地表剩余移动与变形特征进行了研究，利用经验公式 21 法、预计评价方法及有限单元法对采空区进行变形与稳定性预测，并提出了高速公路工 可、初设及施设三阶段采空区危害性评价工作内容与目标、评价标准及程序。张志祥等 采用相似材料模拟实验方法，对交通荷载作用下采空区覆岩移动及地表残余变形特征 22 进行了研究，依据有关标准对采空区的稳定性进行了评价。并得到了采空区冒落带、裂 隙带、弯沉带的残余下沉量和地表残余变形会随着交通荷载的增加呈不同程度的增大； 交通荷载作用会使采空区岩体重新“活化” ，使其处于不稳定状态，必须采取措施对采空 区进行工程治理。李建文等将高密度电法与浅层地震法综合物探与钻探两种方法相结 23 合，对采空区进行勘察，试验得到了膨胀土下伏采空区的深度、范围及相关的工程特性， 并以此为基础开展了膨胀土的土性实验。高磊等采用快速拉格朗算法 FLAC3D程序评 24 价了多层采空区条件下路堑边坡稳定性，分析了在开挖、注浆和锚固等不同工况下路堑 边坡的应力和位移。结果表明，处理后的采空区路堑边坡是稳定的，FLAC3D可应用于多 层采空区条件下的路堑边坡稳定性评价。张淑坤等结合具体工程实例，综合理论分 26-25 析、现场监测、数值模拟等研究方法，研究了公路行车稳定性、老采空区应力、变形及 其充填治理问题。提出公路容许变形控制指标为地表公路横坡度、纵坡度及合成坡度， 通过反演推算得到了老采空区治理标准，并提出具体治理控制流程。元亚菲等采用合 27 成孔径差分干涉测量(DInSAR)技术，利用相关数据，监测了老采空区上方的高等级公 路在重复采动条件下的沉降情况，获取了监测期间的开采沉陷时序关系图。赵虎生等 运用 FLAC3D软件研究采矿引发断层“活化”不利的地基稳定性，研究“活化”地质 28 断层，分析高填方路基“疾病”的机理、变形和地面不稳定，探讨修筑箱涵通道及高填 路基而出现的变形与失稳问题，发现预防道路路基的不连续变形、沉降，旨在为确定合 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 7 理的技术提供基础。 从这些研究成果可以看出，现有的对于采空区与公路之间相互作用的机理研究都只 是运用数值模拟手段进行分析，研究采空区地表的移动及变形规律，进而预测对公路的 影响。 1.2.3 采空区路基的加固方面 采空区对于公路路基稳定性的影响是众所周知的，如何消除采空区对公路路基的影 响，对采空区上方的路基进行加固，也成为许多专家学者研究的方向，并得出了一些解 决的方法。 对采空区的路基进行加固，除传统的加固方法外，一些学者也提出了一些新式的加 固方法。温树杰等 针对某一具体的稀土采空区路基加固治理工程，结合地质条件及工 29 程要求，提出了一种水泥土注浆加固方法，应用于实际工程。检测结果表明：浆液较好 地填充了稀土采空区，有效地固结了土体，提高了土体稳定性，满足规范要求，取得了 良好的注浆效果。李苏龙等针对整合矿井复采前巷道掘进极易揭露采空区的问题，在 30 理论分析、数值模拟和矿压观测的基础上，根据掘进巷道遇到高冒区和空巷的不同情况 采用锚杆、锚索网与料石墙工字钢棚多种联合支护技术手段对采空区内掘进巷道进行围 岩加固支护，解决了整合矿井采空区内掘进巷道围岩覆岩强度较低、自承载结构能力差 的围岩控制技术难题。李学良等结合注浆加固机理和条带开采理论对控制采空区残余 33 沉降的带状注浆方法的注浆适用范围、模型、机理以及相关参数进行了较深入的研究， 运用数值模拟的方法对带状注浆前后以及施加建筑荷载后的地基沉降变形、垂直应力进 行了对比分析。得到了在合理布置注浆条带宽度、钻孔间距和注浆工艺的前提下，带状 注浆可以有效地控制采空区的残余变形，从而保证上方建(构)筑物的安全使用。杨明等 在对沿空留巷数值模拟的基础上，分析了所留巷道围岩的应力分布、变形特征及破坏 34 机理,并提出相应的加固技术。实践证明：“锚注+锚索+锚杆”这种联合加固技术能保证留 巷成功，有效的解决了工作面瓦斯超限难题，实现了高瓦斯煤层安全开采,取得了较好的 社会经济效果。陈利生等对采空区注浆加固机理、加固模型以及数值模拟中应注意的 35 问题进行了较深入的分析，并以实测工程参数为依据，结合 FLAC3D软件，从沉降变形、 垂向应力的角度对采空区注浆加固问题进行了分析研究，为相关问题的施工与设计提供 一定的借鉴。姚宣成等利用 FLAC3D软件对采空区稳定性及治理方案进行了数值模拟 36 分析，推导出了隧道下伏采空区在加固前后的受力和变形的特征规律；通过对仰拱厚度 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 8 及采空区注浆料强度进行敏感性分析，得到了最优的加固措施。数值分析结果表明：在 未加固的采空区上开挖隧道，采空区两帮岩土体受到较大的垂直载荷，隧道开挖底板出 现了屈服剪切破坏，隧道拱腰及拱顶出现了屈服拉伸破坏，隧道底板最大沉降及不均匀 沉降较大；在对采空区充填注浆及隧道底板浇筑仰拱的联合加固措施后，原采空区附近 的应力集中区域得到很好释放，隧道底板最大沉降及不均匀沉降量大幅降低,岩土体的整 体稳定性提高。华心祝等以提高岩层的自我承载能力为目标，提出了巷旁采用锚索加 37 强支护，巷内采用锚杆支护的加固方式。建立了在充分考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚 索加强作用前提下的沿空留巷力学模型，并分析确定了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支 护的作用机理。研究成果可以为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经 验。文圣勇等采用地质雷达对回采巷道松动圈范围进行探测并分析其破坏原因，利用 38 数值模拟手段对不同煤柱宽度下采空区和巷道双重影响下侧向支撑压力的分布状态进行 了研究，并分析确定了对穿锚索对轴向围岩应力分布状态的影响和对侧向围岩的影响范 围，在对穿锚索的加固机理基础上，提出了优化煤柱+高强锚杆支护+对穿锚索控制的方 案。康红普等对锚杆支护作用机制进行分析，提出了高预应力以及强力支护理论，强 39 调锚杆预应力及其扩散的决定性作用；指出对于复杂困难巷道，应尽量实现一次支护就 能有效控制围岩变形与破坏；介绍煤矿开发出的锚杆支护成套技术，包括巷道围岩地质 力学测试技术、动态信息锚杆支护设计方法、高强度锚杆与锚索支护材料、支护工程质 量检测与矿压监测技术，以及锚固与注浆联合加固技术；在分析煤矿巷道类型与特点的 基础上，介绍高预应力、强力锚杆支护理论与技术的典型应用实例，包括千米深井巷道、 软岩巷道、强烈动压影响巷道、大断面开切眼、深部沿空掘巷与留巷、采空区内留巷及 松软破碎硐室加固。陈金祥等对白岭煤矿采空区沉降进行计算预测，并建立模型模拟 41 采空区及隧道沉降的大小，分析了急倾斜采空区的治理技术，得到采空区注浆加固前后 沉降量的大小。根据现场监控量测结果显示：治理后的沉降量满足实际要求。实践证明， 利用注浆+超前中管棚支护的方法加固加大采空区围岩强度，减少沉降量，在公路隧道中 有很重要的应用价值。 1.2.4 研究存在的问题 （1）对采空区路基稳定性的研究很多，但绝大多数都是针对静载作用对稳定性的影 响进行研究，对动力荷载作用下公路路基稳定性研究尚不充分； （2）在采空区顶板煤柱的力学模型研究方面，对动静载耦合作用下的力学模型 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 9 研究未见报道； （3）在采用建筑垃圾制备充填膏体方面研究较少，且仅有的少量研究的配合比都是 根据经验确定的，未采用正交设计手段进行配合比设计。 1.3 研究内容 （1）采空区上覆岩层基本力学试验； 对采空区上覆岩层进行了块体密度试验、吸水性试验、单轴压缩试验、三轴压缩试 验、劈裂抗拉试验，并且通过记录数值，计算饱水系数、饱和静止弹性模量、泊松比、 峰值抗剪内聚力和内摩擦角以及比例峰值抗剪内聚力和内摩擦角。 （2）动静荷载耦合作用下顶板煤柱路基力学模型 将采空区顶板简化为弹性薄板，基于弹性板理论以及薄板理论，建立了动静荷载耦 合作用下顶板煤柱采空区力学模型，研究了动静荷载共同作用下的采空区煤柱 路基体系的力学特性，推导采空区顶板的控制方程并用迦辽金方法进行了求解。 （3）地震荷载作用下路基稳定性的数值模拟 基于 FLAC3D软件，对地震荷载与采动耦合作用下路基稳定性进行了数值模拟，模拟 得到了地震荷载作用下公路路基可能发生的变形，为路基的设计和施工提供一定的依据。 （4）建筑垃圾制备充填膏体 利用建筑垃圾制备矿山膏体充填材料，以建筑垃圾、天然砂、水泥和粉煤灰为组成 材料，采用正交试验手段设计了一个 4 因素 3 水平的试验方案，对 9 种不同配合比的膏 体充填材料进行坍落度试验和单轴压缩试验，并对试验结果进行了极差分析，探索了质 量浓度、水灰比、砂率和粉煤灰用量 4 种因素对膏体充填材料的坍落度、单轴抗压强度 和弹性模量的影响。 1.4 技术路线 论文采用现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和综合分析的手段开展研究， 技术路线主要包括以下内容： （1）针对辽宁省凤城市爱阳镇的一条采空区公路进行现场调研，与合作单位开展合 作，进行现场取样； 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 10 （2）对采空区上覆岩层进行了块体密度试验、吸水性试验、单轴压缩试验、三轴压 缩试验、劈裂抗拉试验，并且通过记录数值，计算饱水系数、饱和静止弹性模量、泊松 比、峰值抗剪内聚力和内摩擦角以及比例峰值抗剪内聚力和内摩擦角； （3）将采空区顶板简化为弹性薄板，基于弹性板理论以及薄板理论，建立了动静荷 载耦合作用下顶板煤柱采空区力学模型，研究了动静荷载共同作用下的顶板煤柱 采空区体系的力学特性，推导采空区顶板的控制方程并用迦辽金方法进行了求解； （4）基于 FLAC3D软件，对地震荷载与采动耦合作用下路基稳定性进行了数值模拟， 模拟得到了地震荷载作用下公路路基可能发生的变形，为路基的设计和施工提供一定的 依据； （5）利用建筑垃圾制备矿山膏体充填材料，以建筑垃圾、天然砂、水泥和粉煤灰为 组成材料，采用正交试验手段设计了一个 4 因素 3 水平的试验方案，对 9 种不同配合比 的膏体充填材料进行坍落度试验和单轴压缩试验，并对试验结果进行了极差分析，探索 了质量浓度、水灰比、砂率和粉煤灰用量 4 种因素对膏体充填材料的坍落度、单轴抗压 强度和弹性模量的影响。 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 11 动力扰动作用下公路路基稳定性研究 现场调研与资料收集 理论分析数值模拟试验研究 观察现象分析规律探索机理 得出稳定性规律 制备膏体充填材料 结论与展望 图 1 技术路线 Fig.1 Technical route 1.5 创新点 （1）将采空区顶板简化为弹性薄板，将矿柱简化为粘弹性体，建立了动静耦合作用 下采空区煤柱顶板的力学模型； （2）在分析了交通荷载对采空区路基稳定性影响的基础上，进一步进行了地震与采 动耦合作用下路基稳定性的数值模拟； 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 12 （3）以建筑垃圾作为骨料，采用正交实验法制备膏体充填材料，并进行了相关试验 研究。 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 13 2 采空区上覆岩层物理、力学性质试验 2.1 自然地理条件及矿山开采概况 2.1.1 地理位置 凤城市叆阳镇潘家西沟煤矿矿区位于凤城市东北，直线距离 60km，行政区划隶属于 辽宁省凤城市叆阳镇潘家村管辖，叆阳镇政府与凤城市间有桓盖线连接，潘家西沟煤矿 区至桓盖线间有村级公路连接，矿区交通比较方便。 图 2-1 工作区交通位置图 Fig.2-1 The workspace traffic location 2.1.2 气象与水文 工作区气候属北温带湿润区大陆性季风气候,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季多雨,78 月份气温较高,最高温度 37.3,12 月份气温较低,最低温度-32.6,年平均气温 8.2,年均 动力扰动作用下采空区公路路基稳定性研究 14 降水量 998.2mm,多集中于每年的七、八月份,年均霜冻期 206d,冻土深度 1.21.5m。 叆阳镇内水资源较为充足，大小河流 75 条，叆河、旧帽山河、三岔河在境内交汇， 流入灌水镇。本次项目区内无常年性水体，仅在雨季部分沟渠内见有季节性溪流，洪流 量受降雨及附近矿山井下抽排水量影响较大。矿山采空区顶板管理均采用自然冒落法。 2.1.3 地形地貌 叆阳镇潘家西沟煤矿区地形地貌主要为低山丘陵区和丘间谷地。 （1）低山丘陵区 低山丘陵区主要分布在煤田的南北两侧，海拔标高 248.2m578.2m，地形坡度 15 35，相对高差 330m。区内地形较为陡峭，山体走向近东西，植被比较发育。山顶多呈 浑圆状，组成岩性北部主要为侏罗系下统长梁子组砂岩、页岩，南部主要为上元古界青 白口系钓鱼台组石英砂岩。 （2）丘间谷地 丘间谷地主要分布于煤田的中部，位于南北两侧低山丘陵区中间。海拔标高 303.8m225.2m，相对高差 78.6m。丘间谷地呈树枝状分布，为境内主要耕地及居民的分 布区。区内支沟多呈 V 型，沟底纵坡降较大，潘家西沟主沟呈 U 型，沟谷宽度 75135m。地表组成物质岩性主要为第四系松散堆积物，主要成分为砾石及粉质粘土。 2.1.4 地层岩性 调查区内地层岩性主要为新生界第四系全新统冲洪积层、中生界侏罗系下统长梁子 组、上元古界青白口系钓鱼台组。从老到新分数如下： (1)上元古界青白口系钓鱼台组 钓鱼台组地层主要分布于调查区的南部和西南部，岩石为白色灰白色石英砂岩， 为不含煤地层。 (2)中生界侏罗系下统长梁子组 长梁子组是区域主要含煤地层。在调查区北部、东北部和西北部大范围出露，岩性 为灰色、灰绿色中粒石英花岗岩、灰色粉砂质页岩、粉砂岩、灰色粉砂质页岩与黑色炭 质页岩互层,夹砂岩及煤层,局部见砾岩及含砾石英砂岩。该岩组即为矿区主要含煤岩系,与 上覆第四系呈角度不整合接触,岩层产状平缓，走向以近东西向为主。 辽宁工程技术大学毕业设计(论文) 15 (3)新生界第四系全新统冲洪积层 第四系全新统冲洪积层分布于矿区中部东部，偏北部。主要由冲、洪积砂、砾石层 组成,厚度 210m。 2.1.5 工程地质条件及地质构造 调查区内的岩体工程地质类型可划分为坚硬块状岩石工程地质岩组、坚硬半坚硬的 层状碎屑岩石工程地质岩组、半坚硬软的层状岩石工程地质岩组、松软土体工程地质岩 组。 （1）坚硬块状岩石工程地质岩组 该岩组主要为晚侏罗世侵入岩花岗岩和正长岩，结构致密坚硬，岩层稳定，承载力 特征值为 500900kpa。工程地质条件较好，岩体稳定性较好。 （2）坚硬半坚硬的层状碎屑岩石工程地质岩组 该岩组主要为钓鱼台组和长梁子组石英砂岩、页岩、粉砂岩，为煤层顶底板。结构 致密坚硬，岩层较稳定，砂岩的