金仁桐高速公路采空區(qū)地質(zhì)選線研究

金 鑫 敬興東 李金翔

(1.中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司 成都 610041；2.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 太原 030006；3. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550001)

貴州省是西南地區(qū)煤炭生產(chǎn)主力省份，煤炭資源分布較廣，含煤面積約7萬平方公里，占全省土地面積40%以上。公路工程作為線性工程，由于空間跨度大，決定了其不可避免地要穿越煤礦區(qū)域，主要涉及礦產(chǎn)壓覆及煤礦采空區(qū)問題，公路通過煤礦采空區(qū)易產(chǎn)生路基下沉、橋梁變形、隧道變形及瓦斯突出等工程問題，且后期維護(hù)修復(fù)難度極大，因此，煤礦采空區(qū)問題已成為制約我省公路建設(shè)的技術(shù)瓶頸，采空區(qū)研究對(duì)于高速公路的合理選線至關(guān)重要[1]。

金沙經(jīng)仁懷至桐梓高速公路是貴州省高速加密規(guī)劃網(wǎng)中12條強(qiáng)化路網(wǎng)銜接的高速公路之一，主線長105.167km。沿線通過的煤礦主要有泮水煤礦、云安煤礦、鼎興煤礦及桑樹灣煤礦，其中云安及鼎興煤礦分別在2004-2013年間開采期間形成一定規(guī)模的采空區(qū)。本文介紹了金仁桐高速公路穿越云安、鼎興煤礦路段地質(zhì)選線，通過前期勘察和線路比較，擬選定A21線和K線兩條同精度比較線路。公路選線與云安煤礦和鼎興煤礦位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 公路選線K&A21方案示意圖

1 礦山概況

云安煤礦和鼎興煤礦地處貴州省仁懷市，兩煤礦于2004年3月開始正式開采，并分別于2013年3月、2012年2月正式停采，兩煤礦后續(xù)將進(jìn)一步整合。

1.1 地形地貌

云安、鼎興煤礦井田位于云貴高原之東北端，其中云安煤礦區(qū)內(nèi)以高山及溶蝕坡地為主，礦區(qū)最高點(diǎn)標(biāo)高為+1250.1m，最低點(diǎn)標(biāo)高為+700.1m，相對(duì)高差為550m；鼎興煤礦區(qū)內(nèi)以侵蝕盆地為主，區(qū)內(nèi)最高海拔為+1265.5m，最低侵蝕基準(zhǔn)面海拔約為+672.0m，相對(duì)高差593.5m。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

出露地層自老至新有：二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)砂頁巖、二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥(灰)巖及第四系(Q)。兩煤礦各煤層頂板均為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖，抗拉強(qiáng)度低，底板多為泥巖，遇水易膨脹，產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。礦山在開采過程中，隨著采空區(qū)增大，圍巖會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，井下可能會(huì)出現(xiàn)冒頂、片幫。

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬簡單型。云安煤礦礦井位于長崗向斜南東翼，總體呈單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地層傾向340°～10°，傾角38°～48°，平均46°。鼎興煤礦礦區(qū)位于長崗向斜南翼，總體呈單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地層傾向大致為7°～10°，傾角40°～49°，一般43°左右，東陡西緩。區(qū)內(nèi)斷層、次級(jí)褶皺不發(fā)育。

1.3 煤層特征

云安、鼎興煤礦礦區(qū)煤系屬于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，層厚70～80m，平均74m。區(qū)內(nèi)含煤9～13層，平均總厚8.0m，含煤系數(shù)7.22%，全區(qū)可采煤層C5、C7、C12，平均總厚11.1m，其可采含煤系數(shù)為12.3%。C10煤層局部可采，其余數(shù)層為不可采煤層。

1.4 礦山開拓和采煤方法

云安煤礦的開拓方式為平硐+斜井開拓，主要布置有主平硐、回風(fēng)斜井兩個(gè)硐口；鼎興煤礦開拓方式為平硐開拓，主要布置有主平硐、回風(fēng)平硐兩個(gè)硐口。云安、鼎興煤礦均采用走向長壁后退式采煤法，陷落法管理頂板。

2 采空區(qū)公路地質(zhì)選線的原則

采空區(qū)公路選線過程中要考慮社會(huì)、自然等多重因素影響，妥善協(xié)調(diào)好不同矛盾、需求[2-4]。路線方案也是控制工程投資的關(guān)鍵，本著“安全、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)選線、有利于環(huán)境保護(hù)、符合地方規(guī)劃”的原則，對(duì)可能的路線方案進(jìn)行全方位比選，選擇最優(yōu)的路線方案，公路地質(zhì)選線需遵循以下原則：

(1)選線應(yīng)廣泛搜集與路線方案有關(guān)的規(guī)劃、計(jì)劃和統(tǒng)計(jì)資料，相關(guān)部門的各種地形、地質(zhì)、采礦、氣象等資料，并深入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)查與勘探，以避免遺漏有價(jià)值的路線方案。

(2)路線宜繞避開采密集、年代較早、不易查明或工程處治困難的大型、重要礦區(qū)或規(guī)劃礦區(qū)，應(yīng)避開地下采空加劇或引發(fā)斜坡失穩(wěn)、山體開裂、崩塌滑坡和地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的危險(xiǎn)區(qū)域。

(3)路線宜繞避人為坑洞分布密集的地帶，當(dāng)必須通過人為坑洞路段時(shí)，宜繞避采空區(qū)地表變形活躍、移動(dòng)盆地邊緣地帶、急傾斜礦層露頭與開采區(qū)域。

(4)當(dāng)繞避有困難時(shí)，應(yīng)在開展專項(xiàng)勘察的基礎(chǔ)上，盡可能選擇礦層薄、埋深大、傾角緩和垂直于礦層走向等的有利部位，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行必要的處理后通過。

(5)路線宜設(shè)在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的采空區(qū)地表移動(dòng)盆地中部平底部分和勘察定性為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定區(qū)域；宜大角度穿越沉陷盆地。

(6)對(duì)正在開采或批準(zhǔn)計(jì)劃開采的礦區(qū)，應(yīng)對(duì)礦區(qū)的開采狀況進(jìn)行調(diào)查，了解礦區(qū)規(guī)劃。為避免壓礦，路線應(yīng)盡可能繞避，必須通過時(shí)，應(yīng)與有關(guān)部門協(xié)商，采取措施后從安全地帶通過[5]。

3 采空區(qū)及同精度路線方案基本情況

3.1 采空區(qū)基本情況

(1)淺層采空區(qū)：兩煤礦采煤歷史悠久，井田范圍內(nèi)小煤窯開采時(shí)間長達(dá)20年以上，一般以獨(dú)眼井的形式開采，主要開采C5、C7、C12煤層淺部，但開采規(guī)模一般較小，開采斜長約為50～100m，開采深度小于50m。A21線路通過地段地表未見塌陷區(qū)及垮塌，且淺層采空區(qū)距擬建橋梁較遠(yuǎn)，對(duì)擬建橋梁無影響。

(2)深層采空區(qū)：線路ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段云安煤礦深層采空區(qū)。YK15+470～YK15+570右77～105m為鼎興煤礦深層采空區(qū)。根據(jù)礦山提供圖紙及現(xiàn)場(chǎng)訪談，擬建高速公路云安煤礦段+745m～+850m標(biāo)高范圍C5、C7煤層已基本采完，鼎興煤礦段礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱東翼+750m～+870m標(biāo)高范圍C5、C7、C12煤層已基本采完，礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱西翼+750m～+870m標(biāo)高范圍C5、C7煤層已基本采完，兩煤礦回采率均達(dá)到80%以上，并在井下形成了一定規(guī)模的采空區(qū)。

云安煤礦礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為5.52m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為29.55m3/t，絕對(duì)二氧化碳涌出量為1.04m3/min，相對(duì)二氧化碳涌出量為5.57m3/t，云安煤礦為高瓦斯礦井，煤塵無爆炸性，煤層自然發(fā)火等級(jí)為三類。通過收集資料及瓦斯測(cè)試綜合分析，隧道穿煤段瓦斯含量高、瓦斯壓力大(0.77MPa)，存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。因此隧道應(yīng)按高瓦斯、煤與瓦斯突出隧道設(shè)計(jì)。

3.2 同精度路線方案基本情況

根據(jù)該段路線方案的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，在路線上走廊帶基本確定的情況下，結(jié)合沿線地質(zhì)條件、地形地物和礦區(qū)規(guī)劃考慮，對(duì)A21和K線2個(gè)同精度路線方案進(jìn)行比選分析。高速公路兩線路與煤礦采空區(qū)空間位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 線路平面空間位置關(guān)系圖

A21線由寒婆嶺特長隧道進(jìn)口前K8+000引出，寒婆嶺隧道長7205m，出隧道至打丘婭，進(jìn)入仁懷境，路線在打丘婭設(shè)打丘婭大橋(3×40+66+2×120+66+5×40)，打丘婭隧道長555m，出隧道后設(shè)大壩田特大橋。ZK15+457～ZK15+891(YK15+467～YK15+901)通過仁懷市五馬鎮(zhèn)云安煤礦，ZK15+526～ZK15+802段經(jīng)過云安煤礦工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱。打丘婭特大橋線路橋型方案設(shè)計(jì)主要考慮能跨越凹型溝谷的連續(xù)剛構(gòu)方案，位于礦界范圍內(nèi)長度約為434m，線路距云安煤礦+745m主運(yùn)輸巷道垂直距離為40～60m。煤礦深層采空區(qū)位于線路兩側(cè)，左側(cè)深層采空區(qū)距線路邊緣110m，右側(cè)距線路邊緣185m。

K線ZK15+255～ZK15+742(YK15+314～YK15+735)通過仁懷市五馬鎮(zhèn)云安煤礦，線路ZK15+002～ZK15+371段為煤系地層出露段，線路以寒婆嶺隧道通過，其中ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段通過云安煤礦東深層采空區(qū)及鼎興煤礦西深層采空區(qū)。兩同精度比較線在煤系地層段水平距離約900m。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

4.1 淺層采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

針對(duì)礦區(qū)淺層采空區(qū)，可根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，采用極限平衡法計(jì)算維持頂板穩(wěn)定的臨界深度Hcr，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：B——采空區(qū)寬度(m)；

p0——公路路基基底壓力，包括行車載荷及路基、路面荷載(kPa)，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，行車載荷取550kPa；

γ——上覆巖層加權(quán)平均重度(kN/m3)，取27kN/m3；

φ——上覆巖層加權(quán)內(nèi)摩擦角(°)，綜合取35°；

μ——上覆巖層加權(quán)平均泊松比，綜合取0.3。

對(duì)比采空區(qū)的實(shí)際埋藏深度及臨界深度，可求得采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)Fs：

式中：H——采空區(qū)頂板的實(shí)際深度(m)；

Hcr——采空區(qū)頂板的臨界深度(m)；

計(jì)算求得采空區(qū)頂板臨界深度為16.8m，當(dāng)采空區(qū)埋深小于16.8m時(shí)，采空區(qū)場(chǎng)地處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采空區(qū)埋深大于等于16.8m且小于25.2m時(shí)，采空區(qū)場(chǎng)地處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采空區(qū)埋深大于等于25.2m且小于33.6m時(shí)，采空區(qū)場(chǎng)地處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采空區(qū)埋深大于等于33.6m時(shí)采空區(qū)場(chǎng)地處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，在采空區(qū)埋深小于33.6m時(shí)采空區(qū)易于處理，對(duì)高速公路線位選擇影響不大。

4.2 深層采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于云安煤礦、鼎興煤礦于2013年、2012年相繼停產(chǎn)，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，終采時(shí)間大于730d的采空區(qū)可基本認(rèn)定采空區(qū)頂板已完全垮落，穩(wěn)定性較好。因此，需要對(duì)礦界范圍內(nèi)A21線地表及K線隧道底板受深部采空區(qū)產(chǎn)生的剩余變形進(jìn)行分析。本次分析采用了三維建模軟件及三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件Flac3D數(shù)值模擬計(jì)算，通過Mohr-Coulomb本構(gòu)模型準(zhǔn)確反映出各地層及礦山相關(guān)工程和采空區(qū)之間的相對(duì)位置關(guān)系，并通過數(shù)值模擬計(jì)算的手段分析礦山采空區(qū)對(duì)高速公路相關(guān)工程的影響[6]。

4.2.1 K線寒婆嶺隧道

通過傾斜變形等值線圖可以看出，云安煤礦礦界范圍內(nèi)隧道底板傾斜變形值為0.1～1.1mm/m之間(圖3)，曲率值小于0.1mm/m2(圖4)，均小于容許變形值。X方向水平變形值在1.15～1.5mm/m(圖5)，未超過規(guī)程容許值，但K15+600附近隧道底板Y方向水平變形達(dá)到2.0～3.5mm/m(圖6)，超過規(guī)程容許值。

圖3 K線傾斜變形等值線圖

圖4 K線曲率等值線圖

圖5 K線X方向水平變形

圖6 K線Y方向水平變形

4.2.2 A21線打丘婭特大橋

通過傾斜、曲率變形等值線圖可以得出，云安煤礦礦界范圍內(nèi)A21線全路段傾斜變形值均小于0.1mm/m(圖7)，曲率均小于0.004mm/m2(圖8)，均未超過規(guī)程容許變形值。通過X、Y方向水平變形等值線圖可以看出，云安煤礦礦界范圍內(nèi)A21線全路段X方向水平變形小于0.2mm/m(圖9)，Y方向水平變形值在0.3～0.4mm/m之間(圖10)，均小于規(guī)程容許值。

圖7 A21線傾斜變形等值線圖

圖8 A21線曲率等值線圖

圖9 A21線X方向水平變形

圖10 A21線Y方向水平變形

綜上，對(duì)淺層采空區(qū)而言，當(dāng)民采小煤窯及巷道式采空區(qū)埋深小于25.2m時(shí)有發(fā)生垮冒的可能性并可能會(huì)對(duì)地表相關(guān)工程產(chǎn)生重大影響；由對(duì)深層采空區(qū)的計(jì)算結(jié)果分析可知，K線寒婆嶺隧道下伏采空區(qū)垮落引起的隧道底板剩余變形超出規(guī)程容許高速公路地基容許變形上限值，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響較大；A21線打丘婭特大橋從煤礦工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱上方通過，且距采空區(qū)較遠(yuǎn)，受采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形較小且其傾斜、曲率及水平變形均未超出規(guī)程容許范圍。

5 高速公路選線綜合對(duì)比分析

(1)K線。由于K線寒婆嶺隧道距云安、鼎興煤礦C5、C7煤層采空區(qū)距離較近，煤層開采后形成的采空區(qū)剩余變形會(huì)對(duì)ZK15+520～ZK15+730段隧道底板產(chǎn)生較大水平變形影響，在未對(duì)隧道下方采空區(qū)進(jìn)行處治的情況下對(duì)隧道進(jìn)行施工，可能會(huì)在施工過程及隧道今后的運(yùn)行過程中出現(xiàn)隧道頂、底板及側(cè)幫變形、開裂等現(xiàn)象，對(duì)隧道的整體安全性造成較大不良影響，需進(jìn)行處治。

(2)A21線。打丘婭特大橋整體從云安煤礦保安礦柱上方經(jīng)過，距采空區(qū)較遠(yuǎn)，且橋梁地表受采空區(qū)剩余變形影響較小，A21ZK15+321～A21ZK+396路段地表處經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查存在溶蝕拉溝裂谷及松動(dòng)巖塊體，且A21ZK15+465～A21ZK15+517路段下伏云安煤礦+745m運(yùn)輸及回風(fēng)大巷與地表垂距約為40m，不良地質(zhì)條件與煤礦運(yùn)輸平巷可能對(duì)橋梁樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，故需在高速公路周邊合理劃定禁采范圍，并對(duì)云安煤礦主平硐進(jìn)行封堵處理，禁止在高速公路禁采范圍內(nèi)從事包括行人、采礦等一切人為活動(dòng)。

綜上，K線寒婆嶺隧道由于從采空區(qū)正上方通過，且距采空區(qū)距離較近，受采空區(qū)覆巖剩余移動(dòng)變形影響顯著，ZK15+520～ZK15+730路段的水平變形值仍超過規(guī)程容許變形值，A21線地表控制性工程受采空區(qū)影響較小，且全路段的水平變形、傾斜變形、曲率均小于容許變形值，安全性及穩(wěn)定性較K線好，故推薦A21線。

6 結(jié)語

在查明采空區(qū)范圍及地質(zhì)條件等基礎(chǔ)上，分析評(píng)價(jià)采空區(qū)剩余變形對(duì)擬建公路的影響及工程處治難度是本項(xiàng)目采空區(qū)地質(zhì)選線的關(guān)鍵。另外，對(duì)于規(guī)劃采礦范圍應(yīng)劃定禁采區(qū)和留設(shè)保護(hù)煤柱，可防止在施工及運(yùn)營階段二次采煤危及高速公路安全。