高速公路下伏多层采空区地表沉陷数值模拟及预测研究
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摘要
近年来，随着我国国民经济的不断发展，经济建设对交通运输体系要求的不断提高，高速公路和高速铁路建设也以前所未有的速度推进。由于道路网越来越密集，一些地区的高速公路和铁路不可避免地需要穿越或建立在老采空区地表。
北京至哈尔滨高速公路（简称京哈高速公路）四平至长春段K70+500—K75+000段位于刘房子煤、膨润土矿区北西侧。矿山开采形成的采空区，导致高速公路局部路面变形，出现裂缝，道路路基下沉。本文依托“京哈高速公路四平至长春段改扩建工程刘房子路面塌陷段勘查”项目，在阅读和总结大量前人研究文献基础上，以四平至长春段K73+100—K73+500段路面塌陷为研究对象，完成本论文。首先分析了研究区区域构造地质条件，煤系地层工程地质条件和水文地质条件，煤层厚度、顶底板岩石物理力学条件，煤矿开采历史及现状和采空区范围。根据野外现场调查、钻探和物理勘探资料，分析研究区地表沉陷特征、分布规律及其形成机理。然后根据研究区刘房子煤矿调查资料，运用MATLAB软件，以概率积分法为理论基础，编制多层任意形状采空区地表沉陷预计系统，并将系统用于研究区高速公路地表沉陷计算。利用有限差分法FLAC数值模拟软件，研究汽车动荷载作用下采空区地表变形规律。采用改进的遗传算法求解和优化Holt-Winters模型的组合参数，建立高速公路沿线监测点地表沉陷的预测模型。最后对研究进行总结并提出今后研究的建议。
论文包括以下八个部分：绪论、研究区地质环境条件、高速公路地表沉陷特征及其机理分析、多层采空区地表沉陷预计系统设计、研究路段地表沉陷预计分析、汽车动荷载作用下采空区地表变形数值模拟、采空区地表沉陷非线性预测模型研究及结论和展望。本文建立了基于概率积分法的多层任意形状采空区地表沉陷预计模型，利用MATLAB编制程序并制作界面窗口，形成了基于概率积分法的开采沉陷预计系统。以研究路段下地质采矿条件为原型设计模型，研究采空区埋藏深度、采空区尺寸、汽车荷载速度对采空区上覆岩层及高速公路地面变形的影响。探讨汽车荷载对采空区覆岩及地表变形影响的规律。在地表沉陷监测数据的基础上，建立了一种基于实测数据的地表沉陷预测模型。由于作者的理论水平和实践经验有限，文中错误、纰漏之处在所难免，敬请专家学者批评指正。
With the development of the national economy, higher level of transportationsystem is needed. Road network is more and more intensive, and some of the highwayand railway will inevitably need to build across the mined-out area as a result.Deformation of rock mass overlying the goaf may induce surface subsidence,inclination, horizontal movement and deformation, which may cause failure ofroadbed and road surface collapse for highway across mined-out area. This kind ofgeological disaster caused great economic losses in our country.
K70+500-K75+000section of Siping-Changchun highway, part ofBeijing-Haerbin highway is located in the northwest of Liufangzi bentonite and coalmining area. There are subsidence, cracks and roadbed subsidence in part of roadbecause of the goaf. The plan to extend the Siping-Changchun highway encountersdifficulty due to large deformation in Liufangzi segment. The maximum subsidencehas reached172.0cm (K73+288).Then whether subsidence will continue and itsinfluence on the highway become the key problem.
Deformation of K73+100-K73+500section of Siping-Changchun highway istaken as the the object of study in this paper. On the basis of collecting and analyzinga lot of technical literature and the field data of subsidence, we analyzed geologicalenvironmental conditions, characteristics of surface subsidence, distribution laws andits formation mechanism for the research area.Then prediction system for multiplemining of random shaped face based on matlab is developed and applied to theresearched highway and its neighborhood. Deformation rules of surface and rock masson the goaf under the action of dynamic load are obtained by using the numericalsimulation software named FLAC. Mining subsidence forecast method based onimproved genetic algorithm and holt-winters model is proposed and applied in miningsubsidence forecast of Changchun-Siping highway. This research will providebeneficial references for similar engineering geological problems. The main resultsare as follows:
(1) Comprehensive analysis for characteristics of surface subsidence, distributionlaws and its formation mechanism have been undertaken based on the data of fieldinvestigations. As coal drilling expanded in the direction of the highway，and evenexpanded over the highway, the subsidence basin gradually spread to the highway.It isknown that subsidence of a point on the surface reduced with its distance increasedfrom the center of the basin.There is a goaf with a width of190m under the sectionK73+177—K73+367. Above all, the subsidence of the southeast side is greater thanthe northwest side and there is a subsidence center at K73+288with subsidencereducing in both sides along the highway.
(2) A prediction system for multiple mining of random shaped face based onmatlab is developed.When it is applied to the points along the researched highway andits neighborhood, there are certain differences between the predicted values and theobservation values. Considering that the highway is always under the influence ofdynamic load, the results got from the prediction system are regarded to beappropriate for the actual matters.Then the problem of prediction for multi-layer goafand arbitrary shape goaf is solved.
(3) With the numerical simulation software named FLAC, deformation rules ofsurface and rock mass overlying the goaf under the action of dynamic load areobtained. Results show that the impact of dynamic load on surface and rockmass overthe goaf decreases with the increasing of buried depth, increases with an increase inmining width and decreases with increase of speed.
(4) A method based on improved genetic algorithm and Holt-Winters model isproposed. With the aid of the improved genetic algorithm, parameters of Holt-Wintersmodel can be greatly optimized. Then the IGA-Holt-Winters model is applied inmining subsidence forecast of Changchun-Siping highway. The results show theconvergence of methods is faster and more accurate than that of the GM(1,1) modeland WLS-SVM model with relative mistake lower than2%. The model has betterprediction accuracy for long-term prediction of the mining subsidence.
北京至哈尔滨高速公路（简称京哈高速公路）四平至长春段K70+500—K75+000段位于刘房子煤、膨润土矿区北西侧。矿山开采形成的采空区，导致高速公路局部路面变形，出现裂缝，道路路基下沉。本文依托“京哈高速公路四平至长春段改扩建工程刘房子路面塌陷段勘查”项目，在阅读和总结大量前人研究文献基础上，以四平至长春段K73+100—K73+500段路面塌陷为研究对象，完成本论文。首先分析了研究区区域构造地质条件，煤系地层工程地质条件和水文地质条件，煤层厚度、顶底板岩石物理力学条件，煤矿开采历史及现状和采空区范围。根据野外现场调查、钻探和物理勘探资料，分析研究区地表沉陷特征、分布规律及其形成机理。然后根据研究区刘房子煤矿调查资料，运用MATLAB软件，以概率积分法为理论基础，编制多层任意形状采空区地表沉陷预计系统，并将系统用于研究区高速公路地表沉陷计算。利用有限差分法FLAC数值模拟软件，研究汽车动荷载作用下采空区地表变形规律。采用改进的遗传算法求解和优化Holt-Winters模型的组合参数，建立高速公路沿线监测点地表沉陷的预测模型。最后对研究进行总结并提出今后研究的建议。
论文包括以下八个部分：绪论、研究区地质环境条件、高速公路地表沉陷特征及其机理分析、多层采空区地表沉陷预计系统设计、研究路段地表沉陷预计分析、汽车动荷载作用下采空区地表变形数值模拟、采空区地表沉陷非线性预测模型研究及结论和展望。本文建立了基于概率积分法的多层任意形状采空区地表沉陷预计模型，利用MATLAB编制程序并制作界面窗口，形成了基于概率积分法的开采沉陷预计系统。以研究路段下地质采矿条件为原型设计模型，研究采空区埋藏深度、采空区尺寸、汽车荷载速度对采空区上覆岩层及高速公路地面变形的影响。探讨汽车荷载对采空区覆岩及地表变形影响的规律。在地表沉陷监测数据的基础上，建立了一种基于实测数据的地表沉陷预测模型。由于作者的理论水平和实践经验有限，文中错误、纰漏之处在所难免，敬请专家学者批评指正。
With the development of the national economy, higher level of transportationsystem is needed. Road network is more and more intensive, and some of the highwayand railway will inevitably need to build across the mined-out area as a result.Deformation of rock mass overlying the goaf may induce surface subsidence,inclination, horizontal movement and deformation, which may cause failure ofroadbed and road surface collapse for highway across mined-out area. This kind ofgeological disaster caused great economic losses in our country.
K70+500-K75+000section of Siping-Changchun highway, part ofBeijing-Haerbin highway is located in the northwest of Liufangzi bentonite and coalmining area. There are subsidence, cracks and roadbed subsidence in part of roadbecause of the goaf. The plan to extend the Siping-Changchun highway encountersdifficulty due to large deformation in Liufangzi segment. The maximum subsidencehas reached172.0cm (K73+288).Then whether subsidence will continue and itsinfluence on the highway become the key problem.
Deformation of K73+100-K73+500section of Siping-Changchun highway istaken as the the object of study in this paper. On the basis of collecting and analyzinga lot of technical literature and the field data of subsidence, we analyzed geologicalenvironmental conditions, characteristics of surface subsidence, distribution laws andits formation mechanism for the research area.Then prediction system for multiplemining of random shaped face based on matlab is developed and applied to theresearched highway and its neighborhood. Deformation rules of surface and rock masson the goaf under the action of dynamic load are obtained by using the numericalsimulation software named FLAC. Mining subsidence forecast method based onimproved genetic algorithm and holt-winters model is proposed and applied in miningsubsidence forecast of Changchun-Siping highway. This research will providebeneficial references for similar engineering geological problems. The main resultsare as follows:
(1) Comprehensive analysis for characteristics of surface subsidence, distributionlaws and its formation mechanism have been undertaken based on the data of fieldinvestigations. As coal drilling expanded in the direction of the highway，and evenexpanded over the highway, the subsidence basin gradually spread to the highway.It isknown that subsidence of a point on the surface reduced with its distance increasedfrom the center of the basin.There is a goaf with a width of190m under the sectionK73+177—K73+367. Above all, the subsidence of the southeast side is greater thanthe northwest side and there is a subsidence center at K73+288with subsidencereducing in both sides along the highway.
(2) A prediction system for multiple mining of random shaped face based onmatlab is developed.When it is applied to the points along the researched highway andits neighborhood, there are certain differences between the predicted values and theobservation values. Considering that the highway is always under the influence ofdynamic load, the results got from the prediction system are regarded to beappropriate for the actual matters.Then the problem of prediction for multi-layer goafand arbitrary shape goaf is solved.
(3) With the numerical simulation software named FLAC, deformation rules ofsurface and rock mass overlying the goaf under the action of dynamic load areobtained. Results show that the impact of dynamic load on surface and rockmass overthe goaf decreases with the increasing of buried depth, increases with an increase inmining width and decreases with increase of speed.
(4) A method based on improved genetic algorithm and Holt-Winters model isproposed. With the aid of the improved genetic algorithm, parameters of Holt-Wintersmodel can be greatly optimized. Then the IGA-Holt-Winters model is applied inmining subsidence forecast of Changchun-Siping highway. The results show theconvergence of methods is faster and more accurate than that of the GM(1,1) modeland WLS-SVM model with relative mistake lower than2%. The model has betterprediction accuracy for long-term prediction of the mining subsidence.
引文
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