煤礦開采對公路橋的安全影響現(xiàn)狀評價

鄒友平

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

近年來隨著我國煤炭工業(yè)和公路建設(shè)的迅速發(fā)展，公路橋在煤礦區(qū)受采動影響破壞現(xiàn)象日益突出。在很多區(qū)域多個路段的公路橋位于煤田上方，將受采動直接影響，嚴(yán)重的會導(dǎo)致交通中斷及交通事故[1-6]。因此，為了公路橋的使用壽命及安全運輸，必須充分了解公路橋受采動影響程度，在煤礦開采條件下對公路橋影響現(xiàn)狀進行評價，以期有針對性地為煤礦開采或橋梁維修提供較為可靠的依據(jù)。

本文通過搜集地質(zhì)采礦和公路橋的資料，利用專門的計算軟件對南一采區(qū)開采影響進行了地表移動與變形計算，給出了開采影響下公路橋的地表移動變形值，結(jié)合公路橋受采動影響變形規(guī)律及公路橋抗采動變形能力與相關(guān)規(guī)程規(guī)范，分析評價煤礦開采對公路橋的影響程度，并提出相關(guān)處理措施及建議。

1 煤礦地質(zhì)采礦條件及公路橋概況

1.1 地質(zhì)采礦條件

山西某礦設(shè)計生產(chǎn)能力6Mt/a，主采煤層為3號煤層，該煤層位于二疊系山西組下部，平均厚5.99m。煤層頂板一般為泥巖，粉砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。對公路橋有影響的工作面為S1203工作面，該工作面埋藏深度為356～457.5m，切眼長345m，回采斜長1057.5m，采高3.2m，采、放高度總和6.65m，煤層傾角平均約6°。采煤方法為大采高綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板，開采時間為2016年1月至2016年3月。工作面截止目前推進位置對應(yīng)地表前方130m為309國道公路橋，目前剩余可采長度890m。

1.2 公路橋概況

該公路橋為309國道橋梁工程，中心樁號K988+275，公路橋全長64m，路面寬12m，單車限重14t，總限重55t。小河從公路橋下方穿過，公路橋與小河斜交50°，在橋的北側(cè)設(shè)置有預(yù)制涵洞。公路橋上部結(jié)構(gòu)為4～16m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部為三柱式墩、肋板式臺、灌注樁基礎(chǔ)。公路橋橋墩的周長為3.15m，橋的兩端設(shè)置有30mm沉降縫。

公路橋橋墩編號見圖1。公路橋位于S1203工作面上方且主橋體位于S1203膠帶巷北側(cè)13m。S1203工作面于2016年3月2日已回采至主橋體東側(cè)135.8m處，主橋體東側(cè)路面37.24m處已出現(xiàn)貫穿路面3mm寬的裂縫，200m處已出現(xiàn)貫穿整個路面高100mm寬300mm的底鼓。為確保公路橋的安全，該礦于2016年3月4日已對工作面停止回采，并對地面進行一系列的變形觀測。

圖1 公路橋橋墩編號

2 地表移動變形預(yù)計分析

2.1 計算參數(shù)選取

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合該礦在S2201，S2202工作面地表移動觀測站實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)論與相鄰礦區(qū)的巖移觀測成果，考慮到S1203工作面的具體地質(zhì)與采礦條件以及開采充分度情況，地表移動計算參數(shù)選取見表1所示。

表1 S1203工作面開采地表移動參數(shù)

2.2 計算結(jié)果

計算采用天地科技股份有限公司編制的SMD地表移動計算軟件(概率積分法)，本次計算主要考慮工作面開采對公路橋的采動影響，計算方向為公路橋的走向方向，沉陷盆地范圍內(nèi)地表移動與變形極值、公路橋橋體范圍內(nèi)地表移動與變形極值、各個橋墩處的地表移動與變形值計算結(jié)果見表2。

由計算結(jié)果可知，S1203工作面開采，公路橋橋體范圍內(nèi)地表最大下沉149mm，橋體走向方向地表最大傾斜變形3.78mm/m，最大水平變形4.57mm/m；各個橋墩的下沉介于40～110mm，橋體走向方向各個橋墩的傾斜變形介于1.25～2.94mm/m，水平變形介于1.79～3.08mm/m之間。

表2 S1203工作面開采地表移動與變形值統(tǒng)計

注：W為地表下沉值；U為地表水平移動值；E為地表水平變形值；T為地表傾斜變形值。

3 公路橋抗采動變形能力分析與確定

3.1 開采沉陷影響下公路橋涵允許變形現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

(2)由中華人民共和國交通運輸部發(fā)布的《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03-2011)中規(guī)定：采空區(qū)公路地基穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)公路工程地基容許變形值(表3)確定。

表3 采空區(qū)公路工程地基容許變形值

注：本表不包括對變形有嚴(yán)格要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁和隧道工程。

3.2 該區(qū)域公路橋允許變形標(biāo)準(zhǔn)

以《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)以及《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03-2011)中的相關(guān)規(guī)定為基礎(chǔ)[7-9]，結(jié)合309國道和該公路橋及其涵洞的實際特點，取以上規(guī)程規(guī)范中規(guī)定的允許變形標(biāo)準(zhǔn)的下限值，確定該公路橋段地表允許變形標(biāo)準(zhǔn)為：傾斜變形i≤±3mm/m，水平變形ε≤±2mm/m，曲率變形K≤±0.2×10-3/m；墩臺均勻總沉降值≤100mm；相鄰墩臺均勻總沉降差值≤50mm。

4 公路橋受采動影響現(xiàn)狀評價

根據(jù)前述S1203工作面開采對公路橋的采動影響計算結(jié)果，對照該公路橋允許變形標(biāo)準(zhǔn)，公路橋受采動影響總體變形值、各個墩臺的沉降值與相鄰墩臺均勻總沉降差值分別見表4～6所示。由表4可知，公路橋段地表移動與變形最大值已超過其允許變形值，公路橋已受到采動影響，但是由于采動影響時間的滯后性，且西蓮中橋自身有一定的抗變形能力，故采動損害在公路橋橋體上尚未顯現(xiàn)。由表5可知，公路橋9個橋墩中有3個橋墩的墩臺沉降值略超過允許沉降標(biāo)準(zhǔn)(≤10mm)，相鄰墩臺均勻總沉降差值均在允許范圍以內(nèi)，所以公路橋受S1203工作面采動影響較小(表6)。

綜上分析，S1203工作面的開采對公路橋的安全造成了影響，會導(dǎo)致公路橋損害的產(chǎn)生；由于該礦及時停止了S1203工作面的繼續(xù)推進，所造成的地表沉陷對公路橋的影響較小。

表4 公路橋受采動影響地表移動與變形極值分析

表5 公路橋各個墩臺的沉降值分析

表6 西蓮中橋相鄰墩臺均勻總沉降差值分析

5 結(jié)束語

通過對S1203工作面開采時間及工作面與公路橋相對位置的對比分析，并經(jīng)過地表移動變形計算的驗證，得出S1203工作面開采后，公路橋段最大傾斜變形為3.74mm/m，最大水平變形為4.4mm/m，均超出了公路橋地表允許變形標(biāo)準(zhǔn)，公路橋?qū)⑹艿讲蓜佑绊憽Ｓ捎诓蓜佑绊憰r間的滯后性，且公路橋自身有一定的抗變形能力，目前采動損害在公路橋橋體上尚未顯現(xiàn)，但由于地表移動期仍未結(jié)束，公路橋未來將會產(chǎn)生一定損害。

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