公路下采煤引起路面變形的機(jī)理研究與實(shí)踐

楊曉威 陸梅紅 周華強(qiáng)

（1.江蘇省第一工業(yè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

1 概況

平禹煤礦1311工作面主要為公路下保護(hù)煤柱，平均埋深300m，煤層平均厚度3m，煤層傾角5°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚8.1m，基本頂為中粒砂巖，平均厚3m。工作面走向長450m，傾向長87m。

地面公路沿工作面傾斜方向橫穿工作面，為雙向四車道省二級公路，圖1所示，水平跨距約96m，路面寬約23m。路面為半封閉的次高級柏油路面，屬于半剛性路面，公路結(jié)構(gòu)從上向下分為碎石瀝青路面、水穩(wěn)層、路基及部分墊土層和防水隔層，其中土基厚約250mm，水穩(wěn)層厚度230mm，水穩(wěn)層以上結(jié)構(gòu)厚為135mm。

圖1 公路與回采工作面位置關(guān)系

在不考慮充填開采及留煤柱開采情況下，設(shè)計(jì)采用走向長壁后退式采煤方法、綜合機(jī)械化采煤工藝，回采率95%。借助于概率積分法，結(jié)合工作面實(shí)際開采條件，分析得出公路兩側(cè)各120m內(nèi)限厚采高2m為最佳方案，預(yù)計(jì)公路最大傾斜變形值為4.1mm/m，最大水平變形值為3.5mm/m，滿足二級及以下公路、路面為高級及次高級路面的容許變形值要求。

2 采動影響下地面觀測數(shù)據(jù)整理與分析

為了分析采動對地表建（構(gòu)）筑物的影響程度，在采動影響范圍內(nèi)，建立地表移動變形觀測點(diǎn)。地面觀測沿公路布置觀測點(diǎn)，分別沿工作面傾向方向布置 28個(gè)觀測點(diǎn)（A1～A14、B1～B14），走向方向與傾斜方向交點(diǎn)為0號觀測點(diǎn)，走向方向布置14個(gè)觀測點(diǎn)（L01～L14）。

2.1 現(xiàn)場公路受采動影響現(xiàn)狀

隨工作面推進(jìn)，路面發(fā)生了階段性變化。前期以水平拉伸為主，路面發(fā)生裂紋及傾斜變形，對路面行車安全無影響。中期表現(xiàn)為水平擠壓現(xiàn)象比較嚴(yán)重，路面鼓包由小變大，路面拱起變形最大高度約120mm。后期表現(xiàn)為路面下沉及斷裂縫，影響范圍50m內(nèi)路面出現(xiàn)波浪起伏狀?，F(xiàn)場實(shí)測裂縫寬50mm，路面裂縫延展長度11m。

2.2 觀測數(shù)據(jù)整理與分析

隨著工作面不斷推進(jìn)，地表共進(jìn)行了40次觀測，工作面共推進(jìn)了253m，從中選取十三組觀測數(shù)據(jù)分別對公路下沉量及水平移動變形量進(jìn)行分析。

路面觀測范圍為工作面兩側(cè)各350m范圍內(nèi)，根據(jù)工作面推進(jìn)度，分析對公路的下沉影響。從曲線圖2可以看出，距離采煤工作面越遠(yuǎn)，影響越小，其中200～350m范圍以外公路下沉量最小，采動影響程度較輕?？拷ぷ髅嬷行木€20～30m范圍內(nèi)的路面下沉值最大為450mm，沉陷穩(wěn)定之前還會存在部分殘余變形[1]，后期公路修復(fù)過程中應(yīng)充分考慮殘余變形的影響。

圖2 沿公路走向各觀測點(diǎn)下沉變化曲線圖

（2）采動引起的路面上各觀測點(diǎn)間的水平移動變形數(shù)據(jù)分析

從現(xiàn)場看，公路受采動影響下發(fā)生了部分路面下沉、局部鼓起及裂縫等現(xiàn)象。選取現(xiàn)場部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，見圖3所示。

圖上B1～B13相鄰兩點(diǎn)間的水平距離逐漸增大，水平拉伸變形增加。當(dāng)拉伸變形超出路基屈服強(qiáng)度后，就會發(fā)生斷裂，路面會出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)場裂縫位于B1～B7之間。A1～A13各觀測點(diǎn)相鄰水平間距不斷縮小，公路受到了擠壓變形，路面出現(xiàn)隆起變形。

圖3 公路上各觀測點(diǎn)間水平變形曲線圖

3 公路變形機(jī)理研究與分析

3.1 采動影響下上覆巖層移動理論分析

由于采動影響導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生移動，地表產(chǎn)生沿豎直方向和水平方向的位移，導(dǎo)致地表相鄰點(diǎn)的下沉和水平移動量是不相等的，點(diǎn)與點(diǎn)之間相對移動，改變了公路路基原載荷穩(wěn)定狀態(tài)，造成路面發(fā)生彎曲變形，如路面形成彎曲下沉、彎曲拱起及斷裂縫等現(xiàn)象[2]。在采動影響下，公路發(fā)生彎曲變形分為兩種情況：一種情況是采動影響下地表巖層的水平移動形成路面彎曲現(xiàn)象；另一種情況是采動影響下地表及路基下沉，造成路面下沉彎曲現(xiàn)象。根據(jù)路面變形情況繪制路面彎曲變形剖面圖，見圖4所示。

圖4 路面彎曲變形剖面圖

受工作面開采影響，路面將發(fā)生隆起、下沉、斷裂等變形。當(dāng)工作面后方基本頂來壓時(shí)，覆巖發(fā)生彎曲變形，并形成彎曲下沉帶，這是造成公路面發(fā)生較大變形的直接原因。由于公路為半剛性路面，路基起到主要支撐作用，路基受周圍水平應(yīng)力擠壓影響，自身發(fā)生屈服變形，形變量集中后，反映到上覆瀝青路面就形成鼓起現(xiàn)象。隨著工作面不斷向公路正下方推進(jìn)，巖層水平移動變形會不斷增大，鼓起部分沿軸線延展。為防止影響行車安全，應(yīng)及時(shí)對路面進(jìn)行修補(bǔ)[3]。

當(dāng)工作面推出公路正下方時(shí)，路面完全處于采空區(qū)內(nèi)，路面呈整體下沉，公路下沉帶動南北兩側(cè)路面不均勻下沉，兩側(cè)拉應(yīng)力大于路面自身屈服強(qiáng)度后，路面則會發(fā)生下沉和斷裂變形。

在采動影響下，上覆巖層的移動是導(dǎo)致路面發(fā)生一系列變形的最主要因素之一。受斷層構(gòu)造影響，地表移動變形較劇烈，斷層在巖體介質(zhì)中處于弱面，自身的力學(xué)強(qiáng)度要低于圍巖體的力學(xué)強(qiáng)度，工作面開采過程中形成的附加應(yīng)力作用，使斷層影響區(qū)域的巖層與地表移動和變形呈現(xiàn)出非連續(xù)性，是地表沉陷中斷層“活化”[4]及突變的結(jié)果。

工作面偏北路面出現(xiàn)較大斷裂縫，而偏南側(cè)沒有出現(xiàn)較大斷裂縫，證明工作面南北兩側(cè)巖層移動變形的劇烈程度受斷層影響出現(xiàn)偏差。

已有研究表明，工業(yè)化和城市化相互促進(jìn)，兩者具有正相關(guān)關(guān)系，也就是說城市化率越高工業(yè)化程度就越高。錢納里和庫茲涅茨的工業(yè)化發(fā)展水平評價(jià)體系認(rèn)為，前工業(yè)化階段，人口城市化率30%以下；工業(yè)化早期，人口城市化率30%～50%；工業(yè)化中期，人口城市化率50%～60%；工業(yè)化后期，人口城市化率60%～75%；75%以上為后工業(yè)化階段。

3.2 巖層水平移動造成公路斷裂力學(xué)分析

（1）力學(xué)模型分析

在不考慮路面車輛荷載的情況下，根據(jù)彈性力學(xué)基本理論，借助胡克定律計(jì)算受采動影響下水平移動變形造成的路面斷裂縫時(shí)的變形量ε。通過分析，應(yīng)力變形值與公路路面材料性質(zhì)及水平應(yīng)力大小有很大的關(guān)系。不考慮路面的車輛荷載，只考慮水平方向主應(yīng)力及水平移動變形值，并結(jié)合土力學(xué)中莫爾應(yīng)力圓理論建立的主應(yīng)力極限平衡條件，推導(dǎo)后的變形量ε簡化計(jì)算公式為：

式中：

ε-水平應(yīng)力變形值，mm/m；

c-粘聚力，取1.5MPa；

μ-泊松比，取0.35；

E-路面抗彎沉結(jié)構(gòu)模量，取30MPa；

φ-內(nèi)摩擦角，取45°。

經(jīng)理論計(jì)算，公路抗水平最大應(yīng)力變形值為210mm，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相比，理論計(jì)算值偏小，其主要原因是部分計(jì)算參數(shù)取值理想化所致。因此，需要通過理論分析與實(shí)踐相結(jié)合的方法，綜合分析采動影響下路面發(fā)生的變形機(jī)理。

（2）路面發(fā)生變形機(jī)理分析

通常在拱起的路面不遠(yuǎn)處，就會形成一個(gè)較大的裂縫，目前瀝青混凝土路面一般為連續(xù)的完整路面，當(dāng)水平拉伸應(yīng)力作用超出自身的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會形成斷裂。在工作面中心位置，受兩端相向水平應(yīng)力作用影響，路面受到擠壓發(fā)生拱起變形。在工作面范圍以外，受拉伸應(yīng)力作用發(fā)生大小不一的裂縫。由于地面表土層厚度分布不均勻，且公路呈現(xiàn)一定的走向坡度，厚度較薄一側(cè)與另一側(cè)對比起來水平應(yīng)力影響程度較大，路面發(fā)生變形裂縫現(xiàn)象也比較明顯。當(dāng)工作面完全推出公路范圍約15m左右時(shí)，路面形成較大的裂縫，與基本頂周期來壓步距基本一致。

因此，過公路下開采既需要考慮限厚開采，同時(shí)也需要合理布置工作面及循環(huán)作業(yè)進(jìn)度，充分考慮基本頂周期來壓步距，做好路面及時(shí)修復(fù)準(zhǔn)備，為公路安全行車提供預(yù)測預(yù)防。

4 總結(jié)

公路下采煤要做好技術(shù)合理性評價(jià)工作，在技術(shù)上要提前采取一定的防控措施，確保路面與路基不發(fā)生離層，基于受護(hù)對象自身抗變形能力條件，提出合理的公路下采煤方法，減小對地面建（構(gòu)）筑物的影響范圍及損壞程度，保證路面安全行車要求，降低公路修復(fù)成本，實(shí)現(xiàn)路面簡修或不修。