高速公路下伏煤礦采空區(qū)變形分析及處治

任勝偉，王 剛，周靜利

（河南省新豫地質(zhì)工程勘察院有限公司，河南 鄭州 450053）

煤礦采空區(qū)是指在煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，將地下煤炭或煤矸石等開(kāi)采完成后留下的空洞或空腔，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)形成塌陷，引發(fā)地表沉降[1]。高速公路屬于等級(jí)最高的干線公路，對(duì)路基沉降變形的控制要求非常嚴(yán)格。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，新建高速公路不可避免要通過(guò)已有的煤礦采空區(qū)上方，在采空區(qū)沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)沉條件情況下，需要采取處治措施，以保證高速公路建設(shè)和運(yùn)行的安全。

焦唐高速汝州至方城段起于汝州市，向南經(jīng)過(guò)平頂山市汝州市、寶豐縣、魯山縣、葉縣和南陽(yáng)市方城縣，終點(diǎn)在南陽(yáng)市方城縣，總長(zhǎng)度100.528km。其中汝州至方城段（樁號(hào)K18+500～K22+300）及張八橋互通A/G/I/F四條匝道下方分布有原榮發(fā)煤礦、苗李煤礦（包含平豐煤礦）、金裕煤礦（包含金豫煤礦）、外窯煤礦及外窯聯(lián)辦煤礦的采空區(qū)。這些煤礦的開(kāi)采歷史和開(kāi)采方式復(fù)雜，地質(zhì)條件變化大，不確定因素多，嚴(yán)重影響高速公路的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全。需要詳細(xì)查明該路段下伏的煤礦采空區(qū)分布情況及特征，科學(xué)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)殘余沉降量，并提出合理的處治措施。

1 煤礦地質(zhì)與采礦特征

焦唐高速汝州至方城段煤礦采空區(qū)主要分布在K18+500～K22+300 路段之間，地貌單元屬于丘陵。場(chǎng)地地層自下而上包括：上寒武統(tǒng)崮山組（∈3g）、上石炭統(tǒng)本溪組（C2b）、太原組（C2t）、下二疊統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、第三系（R）、第四系（Q），其中含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水類型為砂巖裂隙水和灰?guī)r巖溶承壓水，其中灰?guī)r巖溶承壓水，水壓高，水量豐富，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響大。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：榮發(fā)煤礦、苗李煤礦主要開(kāi)采二1、一4煤層，走向54°左右，傾向324°左右，傾角2°～7°，厚度4.4～6.8m，受斷層影響，區(qū)內(nèi)二1煤層底板標(biāo)高-20～123m，煤層埋深20～230m，斷層北部煤層埋深較深，南部埋深較淺，二1煤層下距石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r6～8m，煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r和砂質(zhì)泥巖。煤礦采煤方法采用走向長(zhǎng)壁式采煤法，全部垮落法頂板管理。裕興煤礦開(kāi)采煤層為山西組二1煤層，煤層厚度4.24～6.60m，煤層傾角5°～12°，埋藏深度110～190m，煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖。采用一對(duì)立井開(kāi)拓井田，柱式采煤方法，爆破落煤，人工裝運(yùn)。外窯煤礦開(kāi)采二1煤層，厚1.12～1.85m，埋深5.0～140.0m，煤層頂?shù)装鍨樯皫r和砂質(zhì)泥巖。采用豎井開(kāi)拓，走向長(zhǎng)壁式采煤方法。

2 煤礦采空區(qū)分布及變形特征

經(jīng)資料收集、地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪、物探探測(cè)、工程鉆探驗(yàn)證，該段高速公路沿線采空區(qū)分布見(jiàn)表1。其中影響互通立交的采空區(qū)為2003 年以前形成，其他主要路基下伏采空區(qū)形成最晚時(shí)間不遲于2010年。其中互通立交下伏采空區(qū)埋深在150～220m，主要路基段的采空區(qū)埋深主要在60～170m。

表1 采空區(qū)影響主線區(qū)段分布表

采空區(qū)專項(xiàng)勘察結(jié)果表明采空區(qū)深度50～220m，厚度0.7～5.0m，煤層較厚。采空區(qū)的充填情況一般，全部自然垮落，在煤礦開(kāi)采期間曾經(jīng)發(fā)生過(guò)明顯的地面塌陷，并造成地面裂縫。根據(jù)本次長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的地表變形監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖1、圖2），其中本測(cè)區(qū)水平位移最大累計(jì)位移量為8mm（移68 點(diǎn)），X方向5mm（向北偏移），Y方向3mm（向東偏移），平均沉降速率為0.05mm/d。目前沉降位移單點(diǎn)最大累計(jì)沉降量為8.73mm（沉317點(diǎn)），平均速率為0.07mm/d。

圖1 水平位移

圖2 垂直沉降

3 煤礦采空區(qū)對(duì)擬建公路工程危害程度的評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)技術(shù)細(xì)則[2]進(jìn)行場(chǎng)地等級(jí)劃分。首先依據(jù)工作面的停采時(shí)間初步確定采空區(qū)的穩(wěn)定性，再結(jié)合場(chǎng)地剩余變形量的預(yù)計(jì)值，進(jìn)行定量判定[3-4]，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。采空區(qū)上覆高速公路地基允許變形值規(guī)定如下：路基傾斜值i≤4.0mm/m,水平變形值ε≤3.0mm/m，曲率值K≤0.3mm/m2；橋梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)傾i≤3.0mm/m,水平變形值ε≤2.0mm/m ，曲率值K≤0.2mm/m2，非簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)傾斜i≤2.0mm/m,水平變形值ε≤1.0mm/m，曲率值K≤0.15mm/m2。

表2 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 地表變形預(yù)測(cè)計(jì)算

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法是根據(jù)地質(zhì)、采礦條件計(jì)算出采空區(qū)上方地表的移動(dòng)變形值，按照公路工程允許的地表變形值，評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性和路基穩(wěn)定性[3-4]。根據(jù)本段高速公路下伏煤礦礦層的地質(zhì)條件及開(kāi)采狀況，選用緩傾斜礦層（α＜15°）充分采動(dòng)情況下非半無(wú)限地表移動(dòng)與變形計(jì)算模式。

最大下沉量：

Wcm=Mqcosα

式中：q——下沉系數(shù)；

M——采厚。

最大傾斜量：

式中：r——地表主要影響范圍半徑，其值與埋深（H）成正比，與煤層影響角（β）的正切值成反比，及r=H/tanβ。

最大曲率值：

最大水平變形值：

最大水平移動(dòng)值：

式中：b——水平移動(dòng)系數(shù)。

上式中q的確定是關(guān)鍵，其取值與礦層傾角、開(kāi)采方法和頂板管理方法均有關(guān)，國(guó)內(nèi)這方面的研究不多，尚未形成系統(tǒng)資料，規(guī)范中根據(jù)采空區(qū)上覆巖層的軟硬程度給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)范圍值，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)下沉系數(shù)q取值為0.7，本次根據(jù)鉆探揭露地層情況，剩余孔隙率取值10%。

根據(jù)上述采空區(qū)地表殘余變形計(jì)算結(jié)果，對(duì)各煤礦采空區(qū)殘余沉降和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。分析計(jì)算結(jié)果可知，在擬建工程張八橋互通立交匝道處采空區(qū)地表殘余變形下沉最大值為179.0mm，傾斜最大值為7.91mm/m、水平變形最大值為3.61mm/m、曲率最大值為0.114mm/m2。張八橋互通立交匝道處采空區(qū)預(yù)測(cè)殘余變形超過(guò)了采空區(qū)公路地基的允許變形值要求，綜合判定場(chǎng)地為欠穩(wěn)定，其他路基段采空區(qū)為基本穩(wěn)定。

表3 沿線各礦采空區(qū)地表剩余變形量計(jì)算表

4 采空區(qū)處治

焦唐高速公路下伏采空區(qū)埋深較大，且開(kāi)采后發(fā)生了明顯的垮落，采空區(qū)充填程度一般，下部空間相對(duì)狹小，無(wú)法采用開(kāi)挖回填、干砌或漿砌支撐及樁基等方案[5]。依據(jù)采空區(qū)特征、殘余變形量及擬建工程對(duì)變形控制要求等因素，綜合確定采用注漿處治方案。用人工的方法向采空區(qū)的冒落帶和裂隙帶壓注入具有充填、膠結(jié)性能的漿液材料，以便充填裂隙和空洞，并固結(jié)地基巖土體[6]。

根據(jù)采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論及采空區(qū)公路的等級(jí)、工程結(jié)構(gòu)與類型，結(jié)合殘余變形預(yù)測(cè)結(jié)果，確定有針對(duì)性的處治方案。張八橋互通立交采空區(qū)屬于欠穩(wěn)定，建議采用注漿處治措施，橋梁宜采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。路基段下伏采空區(qū)為基本穩(wěn)定，雖局部地段地表變形量接近或略大于公路工程的允許變形值，但綜合考慮項(xiàng)目的工期要求及經(jīng)濟(jì)可行性，不進(jìn)行注漿處治，而采用對(duì)上部加鋪土工材料增加抗變形能力并強(qiáng)化防排水的綜合處治措施。

5 結(jié)論

（1）焦唐高速汝州至方城段下伏煤礦屬中小煤礦開(kāi)采，煤層相對(duì)較厚，采空區(qū)上覆巖性及力學(xué)性質(zhì)、礦層傾角、地質(zhì)構(gòu)造、礦層埋深、開(kāi)采厚度等條件較復(fù)雜，采空區(qū)頂板管理方式、采深采厚比、終采時(shí)間等開(kāi)采條件變化較大，地表存在非連續(xù)變形特征，局部采空效應(yīng)明顯，應(yīng)確定不同的處治措施。

（2）張八橋互通立交匝道處采空區(qū)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測(cè)計(jì)算的采空區(qū)殘余變形量超過(guò)了公路地基的允許變形值要求，對(duì)其施工及安全運(yùn)營(yíng)潛在危害大，需要采取注漿處治措施。使得采空區(qū)恢復(fù)到接近原始巖體狀態(tài)，徹底消除采動(dòng)后破碎巖體的移動(dòng)變形空間，達(dá)到公路施工安全的目的。

（3）根據(jù)焦唐高速汝州至方城段公路路基段下伏采空區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)采取簡(jiǎn)易的抗變形設(shè)計(jì)即可保證公路的運(yùn)營(yíng)安全，采用在路基中加鋪土工格柵的方式以提高路基的抗變形能力，以規(guī)避潛在威脅。