煤礦工作面開采對國道的采動影響分析及保護(hù)措施研究

連躍東 李 悅

（1.山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，天津 300456）

公路是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通系統(tǒng)的重要組成部分，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用[1]。山西大平煤業(yè)正在進(jìn)行3112 工作面的采煤工作，該工作面正上方有G208 國道由西北向東跨過采區(qū)。由于該通行路段屬于城鄉(xiāng)主要交通路段，是礦方采煤運輸?shù)奈ㄒ宦肪€，煤礦開采工作不可避免地對上方地表造成影響，地表下沉引起的傾斜和水平變形也必然會對路面造成破壞，影響正常通行。所以分析G208 國道受到的采動影響以及研究如何在煤礦正常開采的情況下保護(hù)道路暢通，保證G208 國道的正常通行，是非常有必要的[2-3]。

1 工作面的地質(zhì)采礦條件及國道情況

大平煤礦為山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)和個人聯(lián)合持股煤炭開采企業(yè)，年生產(chǎn)能力120 萬t，主采二疊系下統(tǒng)3#煤層。其中3112 工作面寬度191 m，推進(jìn)長度1100 m，地表較為平坦，平均標(biāo)高+887 m，底板標(biāo)高為+550～+670 m。工作面上方區(qū)域第四系厚約13～20 m，區(qū)域3#煤層厚度為5.8～6.2 m，傾角約3°～13°，其中靠近工作面東部區(qū)域傾角較小，采用了長壁后退式綜采放頂煤一次采全高開采工藝，采用全部垮落法管理頂板，已累計開采約410 m。

G208 國道與工作面位置關(guān)系如圖1。公路從工作面的西北方向進(jìn)入工作面上方，自西向東穿過采煤區(qū)，采煤區(qū)內(nèi)公路線長約650 m。

圖1 3112 工作面和G208 國道相對位置圖

2 工作面開采沉陷變形預(yù)計

3112 工作面正在開采區(qū)域正在G208 國道下方，隨著工作面推進(jìn)，公路持續(xù)受到沉陷變形的影響。預(yù)計沉陷變形時，先要考慮正在開采過程中發(fā)生的沉陷變形影響，也要考慮后續(xù)的殘余變形對公路造成的影響。

地表沉陷變形計算采用我國常用的概率積分法[4]，計算參數(shù)選取主要依據(jù)該礦區(qū)的地表移動參數(shù)，同時充分考慮井下工作面開采的地質(zhì)采礦條件。選取的計算參數(shù)有下沉系數(shù)q取值0.8，水平移動系數(shù)b取值0.3，主要影響角正切tgβ取值2.3，開采影響傳播系數(shù)k取值0.6，拐點偏移距s/H取值0.06。經(jīng)過計算，求得G208 國道因3112 工作面開采的地表下沉等值線圖如圖2。

圖2 國道208 受3112 工作面開采影響下沉等值線圖

根據(jù)3112 開采沉陷預(yù)計，公路G208 受工作面開采影響段長約890 m（下沉值超過100 mm），其他路段幾乎不會受到沉陷變形的影響。以G208 國道受影響路段外20 m 處開始由東向西的公路為橫軸，每一點的下沉值為縱軸，繪制受開采影響范圍內(nèi)的G208 路段的下沉曲線圖如圖3。

根據(jù)下沉曲線圖所示，受影響區(qū)間路段下沉值將達(dá)到0.1～4.8 m，東西兩側(cè)的下沉值較小，由東西兩側(cè)向中間下沉值持續(xù)增大。整個受影響路段中，工作面正上方600 m 的路段，下沉達(dá)到了3 m 以上，屬于受到最嚴(yán)重的沉陷破壞影響，以及同時受到傾斜變形和水平移動變形影響，路面破壞情況比較明顯。其他部分由于下沉值不大，受到的沉陷破壞影響相對較輕，路面的損壞程度不太明顯。通過開采沉陷變形預(yù)計的研究，可以劃分受災(zāi)路面的嚴(yán)重程度，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，可以分段采取不同的處理方法，保證道路的正常通行。

3 分析道路路基穩(wěn)定性

工作面開采過程中，會在巖層形成采空區(qū)，導(dǎo)致巖體發(fā)生移動變形和破壞，形成垮落裂縫帶。道路的荷載對地表下方有一定的影響距離，垮落裂縫帶的發(fā)育影響到道路的荷載距離時，會對路基造成重大的移動變形災(zāi)害[5]。

G208 公路的荷載包括路基的靜態(tài)荷載和道路上方行駛車輛所造成的動態(tài)荷載兩部分?？紤]G208的路基現(xiàn)況，靜態(tài)荷載的影響程度有限，最大3 m；動態(tài)荷載部分屬于車輛長期循環(huán)的一種荷載，其影響程度和路基高度是減線性函數(shù)關(guān)系，和車輛荷載是拋物線增函數(shù)關(guān)系。G208 道路上的車輛多數(shù)為30～50 t 的大型貨車，小部分為家用轎車，考慮貨車有超載（3倍超載）的情況，綜合靜態(tài)荷載和動態(tài)荷載，G208 的公路荷載影響深度約為地表下9～17 m。

采空區(qū)造成的垮落裂縫帶的發(fā)育高度需要考慮開采煤層的相關(guān)數(shù)據(jù)，選取煤層厚度6 m，煤層傾角7°，最小采深191 m，覆巖多為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，所以巖性中硬偏硬，計算公式如下[6]：

式中：∑M為煤層的累計采厚，m。

經(jīng)過計算，3112 工作面采空區(qū)垮落裂縫帶的最大發(fā)育程度約為74.1 m，考慮公路下最小采深為191 m，下沉影響最大4.8 m，垮落裂縫帶距離公路路基下地表距離約為111 m。國道G208 的最大荷載影響深度為17 m，所以3112 的開采不會影響到國道G208 的路基穩(wěn)定性，不會造成大面積沉陷災(zāi)害，道路受到的沉陷破壞程度在一定的范圍內(nèi)，道路在采用保護(hù)措施后能夠正常通行。

4 道路的現(xiàn)狀

G208 路面多處路段出現(xiàn)寬5～20 mm 的東西向裂縫，且部分裂縫由于車輛碾壓已破損加重，裂縫破損處變?yōu)樾⌒偷钠茐目樱徊糠致范纬霈F(xiàn)明顯下沉，道路出現(xiàn)上下坡，起伏不定；嚴(yán)重地段受地表劇烈壓縮和拉伸變形作用，中間路段路面發(fā)生錯斷和鼓起，影響車輛正常行駛；道路整體向南側(cè)偏斜，路基形成小的滑坡；東西兩側(cè)路段受開采影響程度相對較小，中部路段受破壞影響相對嚴(yán)重和集中。

根據(jù)前面對工作面開采沉陷的研究和路基穩(wěn)定性的分析，G208 國道雖然穿過3112 工作面，受到比較明顯采煤沉陷破壞，影響了車輛的正常行駛，采取行之有效的方法處理后，還是可以保證國道G208在3112開采活動進(jìn)行的同時正常、安全的使用。

5 道路的采動保護(hù)措施

3112 工作面采動產(chǎn)生的地表沉降變形，必然對G208 國道安全行車產(chǎn)生影響，保證采動影響破壞后的路面結(jié)構(gòu)完好、路面變形處于允許范圍內(nèi)，保證公路安全、正常運行，需采取以下保護(hù)措施。

1）在國道G208 受影響段路面兩側(cè)設(shè)立警示牌，提醒行駛車輛減速慢行，注意地面裂縫和隆起，防止車速過快引發(fā)的翻車、撞車等危害；部分路段可以改為單車道行駛，以便處理路面損壞情況。

2）對于國道G208 路面出現(xiàn)的開裂、破損，采取填縫補強鋪平的方法處理；對于路面出現(xiàn)的凸起、鼓包采用鑿除后重新補平并且鋪設(shè)新的瀝青混凝土路面的方法處理；路面傾斜明顯的路段采取墊高路基或者路面、恢復(fù)傾斜的方法。為了保證公路的安全運營，對于路面的狀況要實時掌握，建立觀測站定期進(jìn)行沉陷變形監(jiān)測和定期的路面巡視，及時修復(fù)路面，不影響車輛的正常行駛。

3）由于地表沉陷破壞嚴(yán)重，路面破壞程度已不是簡單修復(fù)方法可以處理的時候，要及時封鎖相關(guān)路段，挖出破壞嚴(yán)重的路面，重新對路基進(jìn)行加固。新路面可采用改性瀝青技術(shù)，或者采用設(shè)置變形縫的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)與地表變形方向一致的鋼筋骨架，根據(jù)地表殘余變形大小確定變形縫的路面板塊尺寸[7]，以提高道路的耐變形強度。

4）加強對采空區(qū)及道路下方的斷裂結(jié)構(gòu)的探測，必要時可采用明挖回填、對離層彎曲帶進(jìn)行注漿的辦法來緩減地表下沉量[8]，提升公路的抗變形能力；也可采用堆載預(yù)壓法、高能強夯法和水誘導(dǎo)沉降法等釋放老采空區(qū)的沉降潛力，加速老采空區(qū)活化和覆巖沉降過程，消除對地表有安全隱患的地下空洞，保證公路更快的恢復(fù)通行。

5）橋涵均采取鋼筋砼框架箱涵結(jié)構(gòu)，并依據(jù)地表殘余變化以及道路回填的高度與寬度，適當(dāng)增大涵洞的直徑；提高箱涵的壁厚、配筋和水泥標(biāo)號；使用高強度蓋板或增強的支座，以增強其承重；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

6）采動影響沉降變形趨于穩(wěn)定后，依然要加強路基路面的定期巡視和監(jiān)測，及時清理排水溝渠，保證公路養(yǎng)護(hù)工作的及時到位，防止殘余變形妨礙道路的正常通行。

6 結(jié)論

結(jié)合3112 煤礦區(qū)域地質(zhì)采礦條件，針對煤層開采的情況，首先對3112 進(jìn)行開采沉陷變形預(yù)計，劃分G208 國道受到開采損害范圍和程度區(qū)間；其次通過開采沉陷變形結(jié)合道路受到的荷載情況分析得出G208 國道路基不會受到采煤開采破壞，確保了公路不會遭到重大的地災(zāi)損壞；最后結(jié)合現(xiàn)場的實際破壞現(xiàn)狀，針對公路可能出現(xiàn)的塌陷、開裂、傾斜和部分結(jié)構(gòu)斷裂，采取針對性保護(hù)措施，保證公路在工作面正常開采下的安全通行。