某公路采空區(qū)地表變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

魏見海，莫天健，滕金勇

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路采空區(qū)是一類非常特殊的巖土工程問題，工程建設(shè)一般應(yīng)盡量避開采空區(qū)地段。近年來，隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展，部分公路工程無法避免要穿越采空區(qū)。而煤礦采空區(qū)容易導(dǎo)致上覆圍巖變形失穩(wěn)產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，從而引起地表產(chǎn)生變形與破壞，對(duì)公路建設(shè)影響較大。因此，對(duì)公路采空區(qū)的變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有著重要的意義。本文以某公路下伏采空區(qū)為例，通過采礦資料收集、地質(zhì)調(diào)查、采礦調(diào)查、地球物理勘探、工程鉆探等手段詳細(xì)查明采空區(qū)的空間分布特征，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該公路下伏采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 采空區(qū)工程地質(zhì)情況

該公路沿線經(jīng)過3處采空區(qū)，分別為廣西宜州金源煤業(yè)有限公司拉浪二號(hào)井、拉浪三號(hào)井以及拉浪六號(hào)井，2010年以來一直處于整改當(dāng)中，未進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)工作。其中線路K1+640～K2+743經(jīng)過拉浪二號(hào)井；線路K0+445～K1+640經(jīng)過拉浪三號(hào)井；線路K4+353～K5+555經(jīng)過拉浪六號(hào)井，分別以路基形式通過，公路線路與采空區(qū)位置關(guān)系見圖1。

圖1 公路線路與采空區(qū)位置關(guān)系平面圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)、走訪當(dāng)?shù)卮迕?、礦工等調(diào)查及巷道分布圖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探、物探等資料分析，場(chǎng)地巖層傾角約150°∠10°，整個(gè)礦區(qū)煤層總體傾向向東。礦井采用一對(duì)斜井開拓，采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法采煤，封孔前煤柱未進(jìn)行回采。

(1)二號(hào)井：煤層厚度約1.5 m，標(biāo)高125～147 m，線路K2+200～K2+743未開采，不存在采空區(qū)；線路K1+640～K2+200為采空區(qū)，巷道寬度約2 m，封孔前煤柱未進(jìn)行回采。

(2)三號(hào)井：煤層厚度約2.5～2.9 m，高程147～175 m，線路K0+445～K0+800、K1+300～K1+550不存在采空區(qū)；線路K0+800～K1+300存在老煤窯開采的采空區(qū)，線路K1+550～K1+640為采空區(qū)，巷道寬度約2 m，封孔前煤柱未進(jìn)行回采。

(3)六號(hào)井：煤層埋深標(biāo)高140～170 m，線路K4+353～K5+555路段未開采，不存在采空區(qū)。

通過調(diào)查，該礦井開采深度較大，開采范圍較窄，地表未產(chǎn)生移動(dòng)盆地，地表無變形。

2 采空區(qū)地表移動(dòng)變形特征

2.1 采空區(qū)垮落帶、裂隙帶高度計(jì)算

根據(jù)鉆探及《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044-2014)附錄A，該采空區(qū)覆巖破壞類型為三帶型，覆巖破壞可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶；當(dāng)垮落帶和斷裂帶未達(dá)到地表時(shí)，地表應(yīng)為連續(xù)變形，當(dāng)垮落帶和斷裂帶能達(dá)到地表時(shí)，地表應(yīng)為非連續(xù)變形。采空區(qū)垮落帶、裂隙帶的高度計(jì)算方法是：

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》附錄L以及《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》附錄C，煤層傾角α<55°，煤層頂板為硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖或其互層時(shí)，開采空間和垮落巖層本身的空間可由頂板的下沉或垮落巖石的碎脹填滿，開采單一煤層時(shí)垮落帶及裂隙帶最大高度計(jì)算公式如下：

M——煤層厚度。

(1)二號(hào)井：根據(jù)收集及鉆探資料，煤層埋深高程為125～147 m，線路設(shè)計(jì)高程為230～247 m，礦井開采平均深度H=102 m，煤層厚度M=1.5 m。

(2)三號(hào)井：根據(jù)收集及鉆探資料，煤層埋深高程為147～175 m，線路設(shè)計(jì)高程為207～230 m，礦井開采平均深度H=57 m，煤層厚度2.5～2.9 m，取煤層平均厚度M=2.7 m，如表1所示。

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，二號(hào)井(K1+640～K2+200段)采空區(qū)垮落帶高度與裂隙帶高度之和小于開采深度，地表變形破壞為連續(xù)變形破壞模式；三號(hào)井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區(qū)垮落帶高度與裂隙帶高度之和大于開采深度，地表變形破壞為非連續(xù)變形破壞模式。

2.2 采空區(qū)地表移動(dòng)變形計(jì)算

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，公路采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)可分為場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和公路工程地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)兩部分。場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)以采空區(qū)地表剩余下沉量作為評(píng)價(jià)依據(jù)，公路工程地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)以各類工程地基容許變形值作為評(píng)價(jià)依據(jù)。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)法計(jì)算過程如下：

本采空區(qū)地表移動(dòng)無實(shí)測(cè)資料，并且H≤400 m，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間可按T=2.5 h確定，即：二號(hào)井(K1+640～K2+200段)采空區(qū)地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間為255 d，三號(hào)井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區(qū)地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間為143 d。擬建公路采空區(qū)停采時(shí)間為2010年6月停采，停采時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)>255 d，地表變形處于衰退期階段，取下沉率為0.95。

(1)地表剩余下沉量估算(見表2)

地表最大下沉值：

Wmax=mqcosα

式中：m——礦層厚度；

q——下沉系數(shù)，覆巖為石灰?guī)r，巖石單軸飽和抗壓標(biāo)準(zhǔn)值73 MPa，q取0.5；

α——煤層傾角。

(2)地表傾斜值、地表曲率及地表水平變形值的確定

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，采空區(qū)場(chǎng)地地表傾斜值、地表曲率及地表水平變形值由下列公式確定。

式中：w——地表下沉值，主要為場(chǎng)地整平后的地表剩余移動(dòng)變形值，即地表剩余下沉量；

r——采空區(qū)邊界地表主要影響半徑；

b——水平移動(dòng)系數(shù)，取0.25；

H——采空區(qū)底板深度；

β——主要開采影響角(β取60°)。

各采空區(qū)的地表最大下沉量、地表傾斜值、曲率和水平變形值計(jì)算結(jié)果見表3。

綜上所述，二號(hào)井(K1+640～K2+200段)采空區(qū)垮落帶高度與裂隙帶高度之和小于開采深度，地表變形破壞為連續(xù)變形破壞模式；三號(hào)井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區(qū)垮落帶高度與裂隙帶高度之和大于開采深度，地表變形破壞為非連續(xù)變形破壞模式，停采時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)>255 d，地表變形處于衰退期階段。

3 采空區(qū)路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 定性評(píng)價(jià)

擬建公路采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)剩余下沉值、地表傾斜值、地表水平變形值及地表曲率值綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

根據(jù)表3及表4綜合判定，二號(hào)井(K1+640～K2+200段)及三號(hào)井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)均為穩(wěn)定。

3.2 定量評(píng)價(jià)

采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法可采用如下公式計(jì)算：

當(dāng)H>H0時(shí)，路基不穩(wěn)定；當(dāng)H01.5H0時(shí)，路基穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果見表5。

注：假定路基荷載為250 kN/m

從表5可以看出，二號(hào)井(K1+640～K2+200段)及三號(hào)井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)均為穩(wěn)定。路基工程可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩(wěn)定性，路面設(shè)計(jì)可采用柔性材料，以滿足采空區(qū)剩余變形量的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)某公路下伏采空區(qū)的工程實(shí)例進(jìn)行研究，分析采空區(qū)的破壞類型，并對(duì)采空區(qū)的地表移動(dòng)變形進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，預(yù)測(cè)采空區(qū)的地表剩余變形量，對(duì)該公路工程項(xiàng)目的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為相應(yīng)公路設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)，對(duì)公路下伏采空區(qū)分析與評(píng)價(jià)具有一定的參考價(jià)值。