張雙樓煤礦采空區(qū)路段公路場地穩(wěn)定性分析

韓余成

（江蘇省第一工業(yè)設(shè)計院股份有限公司，江蘇 徐州 221006）

張雙樓煤礦井田南邊界附近的采空區(qū)和二級公路工程建設(shè)范圍有部分重疊，為了保證公路工程對選址的設(shè)計及建設(shè)更具有針對性，需對選址范圍內(nèi)張雙樓煤礦已有的采空區(qū)場地穩(wěn)定性進(jìn)行分析。受公路設(shè)計單位及建設(shè)方的委托，由張雙樓煤礦提供相關(guān)資料，充分調(diào)查和準(zhǔn)確了解張雙樓煤礦采空區(qū)分布范圍[1]，綜合分析采空區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性，采取經(jīng)濟合理的處置方案，加強從工程建設(shè)源頭上防止采空區(qū)對公路建設(shè)的影響，為建設(shè)項目采取有效防范措施提供依據(jù)。

1 概況

1.1 工程概況

二級公路工程全長7.145 km，位于縣城區(qū)北部，按照二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計限速為60 km/h，雙向二車道。建成以后能夠為附近景區(qū)提供一條重要的游客集散線路，并能將區(qū)域內(nèi)多個景區(qū)串聯(lián)起來，形成具有較強旅游吸引力的觀光帶。

1.2 采空區(qū)概況

公路工程選址在張雙樓煤礦采礦權(quán)范圍以內(nèi)，靠近井田南側(cè)邊界，由東向西逐步轉(zhuǎn)至井田西翼中部。工程選址及保護(hù)帶范圍內(nèi)采空區(qū)均為該煤礦采空區(qū)[2]，分別有7 煤及9 煤采空區(qū)，7 煤平均采厚2.49 m，9 煤平均采厚3.33 m。7 煤頂板為中等冒落頂板，底板多為灰～深灰色泥巖；9 煤頂板為難冒落的堅硬頂板，底板多為黑色泥巖。7 煤和9 煤間距10.83～52.40 m，平均31 m。

根據(jù)該礦采掘工程圖，7 煤采空區(qū)靠近項目選址的位置，回采工作面平均采深390 m，終采時間為1987 年—2009 年。9 煤采空區(qū)靠近項目選址的位置，采空區(qū)一平均采深360 m，采空區(qū)二、三平均采深390 m，采空區(qū)四平均采深490 m，采空區(qū)五平均采深638 m，采空區(qū)六平均采深540 m。

2 采空區(qū)場地穩(wěn)定性分析

2.1 開采條件判別法

2.1.1 采空區(qū)終采時間分析

（1）采空區(qū)地表移動延續(xù)時間

該煤礦地表移動延續(xù)時間無實測資料，按照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（2017 年版）附錄H中的H.0.6 公式1.2 計算地表延續(xù)時間T：

式中：T為地表移動延續(xù)時間，d；H0為工作面平均采深，m。

計算出地表移動延續(xù)時間后，按表1 確定穩(wěn)定性等級。

（2）7 煤采空區(qū)地表延續(xù)時間

根據(jù)本文1.2 中的參數(shù)計算地表延續(xù)時間為：T=2.5×390=975 d ≈2.7 年，1.2T=1.2×2.7=3.24 年。

該項目附近7 煤采空區(qū)開采時間為1987 年—2009 年。按照地表變形延續(xù)時間1.2 倍3.24 年累計，到2013年為止，采空區(qū)上方地表移動變形已經(jīng)穩(wěn)定，之后的地表殘余變形對公路建設(shè)影響較小。根據(jù)表1 確定7 煤采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

（3）9 煤采空區(qū)地表延續(xù)時間

根據(jù)以上9 煤采空區(qū)一～六采深數(shù)據(jù)，經(jīng)過地表移動延續(xù)時間計算結(jié)果如下：

根據(jù)公式（1）計算：T91≈2.5 年；T92≈2.7 年；T93≈2.7 年；

根據(jù)公式（2）計算：T94≈3.3 年；T95≈4.0 年；T96≈3.6 年。

9 煤采空區(qū)地表延續(xù)時間和穩(wěn)定時間關(guān)系見表2。

根據(jù)表1 和表2 對照終采時間關(guān)系，9 煤采空區(qū)一～四為老采空區(qū)，采空區(qū)五、六為新采空區(qū)。截至2021 年6 月，可以確定9 煤采空區(qū)一～五場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定， 9 煤采空區(qū)六場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定。

表1 按終采時間確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級

表2 9 煤采空區(qū)地表移動延續(xù)時間和穩(wěn)定時間關(guān)系

2.1.2 頂板巖性及松散層厚度分析

依據(jù)表3 進(jìn)行確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級。

表3 按頂板巖性及松散層厚度確定淺層采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級

主要參考指標(biāo)為松散層厚度和頂板巖性。本井田7 煤和9 煤采空區(qū)松散層厚度遠(yuǎn)大于30 m，且頂板巖層（老頂和直接頂）均含有厚層狀堅硬巖層，厚度均大于15 m，因此，根據(jù)表3 確定7 煤和9 煤采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

2.1.3 開采條件判別法分析結(jié)論

采用開采條件判別法，根據(jù)終采時間、頂板巖性及松散層厚度等因素綜合判別，認(rèn)為7 煤采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定；9 煤采空區(qū)一～五場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，采空區(qū)六場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定。7 煤和9 煤采空區(qū)疊加之后，采空區(qū)場地反映在該公路上是樁號K15 至線路起點路段采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，樁號K15+500 m 至K17+500 m場地穩(wěn)定性等級為基本穩(wěn)定。

2.2 地表移動變形判別法

該礦經(jīng)過多年的井下煤炭開采，已經(jīng)造成部分地面塌陷，但是地表移動變形值缺少實際監(jiān)測結(jié)果。

2.3 根據(jù)經(jīng)驗公式計算分析

2.3.1 覆巖“兩帶”高度計算

垮落斷裂帶的發(fā)育高度主要與開采煤層的厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關(guān)；本井田煤層覆巖主要是泥巖、砂巖和灰?guī)r，巖性屬中硬。采空區(qū)垮落斷裂帶發(fā)育高度按公式（3）計算[3]：

式中：HM為垮落斷裂帶的發(fā)育高度，m；M為煤層開采厚度，本區(qū)7 煤平均厚度2.49 m，9 煤平均厚度3.33 m；W為冒落過程中頂板的下沉值，按0 m 取值；K為冒落巖石碎脹系數(shù)，中硬巖一般為1.3～1.5，取1.35；α為煤層傾角，7 煤傾角取平均21°，9 煤傾角取平均27°。

由上式分別計算7 煤、9 煤的垮落斷裂帶發(fā)育高度為7.6 m、10.7 m，均小于各煤層平均頂板基巖厚度。

新建建（構(gòu)）筑物荷載不會傳遞到垮落斷裂帶，附加荷載作用不會進(jìn)一步引起沉降和變形，不會造成地基失穩(wěn)、建（構(gòu)）物破壞。

2.3.2 采空區(qū)地表影響范圍

采空區(qū)地表影響范圍可以理解為地表主要影響范圍半徑（r），其值與煤層埋深（H）成正比，與煤層影響角（β）的正切成反比：

式中：β為煤層影響角，tanβ取值參照大屯礦區(qū)經(jīng)驗取1.8。

各采空區(qū)地表影響范圍計算結(jié)果見表4。

表4 7 煤、9 煤鄰近公路采空區(qū)地表影響范圍

依據(jù)計算結(jié)果，以各采空區(qū)邊界向公路方向偏移距離r，直觀觀察采空區(qū)影響范圍與公路的關(guān)系，得出：

（1）7 煤采空區(qū)二、三，9 煤采空區(qū)一、二、六不在公路的正下方；

（2）7 煤采空區(qū)一緊貼公路；

（3）9 煤采空區(qū)三、四、五有部分受公路壓覆。

公路附近和公路壓覆的采空區(qū)其地表影響范圍必然波及公路，而距公路有一定距離的采空區(qū)，其地表影響范圍需要對比其地面影響半徑和距離公路的距離來判斷。

7 煤采空區(qū)二、三地面影響半徑均為216.7 m，9 煤采空區(qū)一、二和六地面影響半徑分別為200.0 m、216.7 m 和300.0 m。其影響半徑值均小于其公路側(cè)最近點與公路坡腳的距離，因此，其地面影響波及不到公路。

2.3.3 根據(jù)經(jīng)驗公式計算分析結(jié)論

采用經(jīng)驗公式計算分析，認(rèn)為7 煤采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，9 煤采空區(qū)一～四（老采空區(qū)）場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，9 煤采空區(qū)五、六（新近采空區(qū)）場地穩(wěn)定性等級穩(wěn)定。

3 采空區(qū)場地穩(wěn)定性分析結(jié)論

公路工程范圍內(nèi)該煤礦7 煤、9 煤采空區(qū)場地穩(wěn)定性分析結(jié)論：樁號K15 至線路起點路段（7 煤采空區(qū)和9 煤采空區(qū)1～3 影響范圍）場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，樁號K15+500 m 至K17+500 m 場地（9煤采空區(qū)四、五影響范圍）穩(wěn)定性等級為基本穩(wěn)定，9 煤采空區(qū)六場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定，但是公路不在其影響范圍之內(nèi)。

穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定的場地，適宜建設(shè)公路，穩(wěn)定性等級為基本穩(wěn)定的場地也是基本適宜的，但應(yīng)采取一定的抗變形措施。該公路工程已開工建設(shè)，場地實際穩(wěn)定性基本和分析相符。