武云高速采空區保安煤柱留設技術研究

萬戰勝 楊 鋒 黃勇博

（河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450052）

1 項目概況

武陟至云臺山高速公路（以下簡稱武云高速）位于焦作市的修武、武陟縣境內，項目所處地貌單元為黃河沖洪積平原和山前傾斜平原，地勢平緩，起伏較小。線路K30+950～K32+950總計約2公里為采空區，2014年3月前后正在開展施工圖階段采空區方案技術論證工作。該采空區段落四標施工單位已進場，段落內的通道構筑物已陸續開工建設，部分構筑物已完成基礎施工，路基段暫未開工，目前已完成大部分清表工作。

2 留設保安煤柱的必要性

《公路路基設計規范》(JTGD30－2004)第7.15.1條規定：在尚未開采的煤層分布區，高速公路應留設保護煤柱。《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03-2011）第5.6條規定：當公路下伏或臨近礦產資源將被開采時，應按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的要求留設公路保護煤柱。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》第15條規定：在礦井、水平、采區設計時應劃定保護煤柱的建（構）筑物有高速公路、機場跑道等。《采空區公路設計指南》（送審稿）（主編單位：山西省交通規劃勘察設計院；參編單位：中交二院、中國地大(北京）、中交通力公司）指出：當公路建設不可避免的要壓覆礦產資源時，應預留保護礦柱。

圖1 K31+545～K31+700礦界保護煤柱壓覆范圍

路線K31+545～K31+700段落路區155m長，保護煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，東西向壓覆500m，南北向110m，資源壓覆估算參數回采率取90%，煤1.4噸每立方米，煤凈利潤300元每噸，路線壓覆煤量346 500噸，約10 395萬元。古漢山礦對K31+545～K31+700礦界保護煤柱有開采計劃（圖1），古漢山礦正在走報批開采手續，預計2015年開采。從公路安全角度考慮，開采將進行地下水大范圍抽排，煤層回采對趨穩地層二次采動，引起地表變形指標超限，建議項目業主予以重視，從協調層面杜絕高速公路建設期與建成后線下保護煤柱范圍內任何采礦活動。

K29+340～K30+950為古漢山礦儲煤區，煤厚5.0～5.6米，埋深556～884米，路線在古漢山礦工業廣場和李固村保護煤柱上通過，依據規范原則上不允許公路建成后出現影響線路安全的采掘活動。

K29+340～K32+950段落二1煤采空區和儲煤區下伏100米左右有2米厚一2煤賦存，目前不具有開采的技術經濟條件，古漢山礦總工也明確這一點，依據相關規范在高速公路建成后原則上不允許公路建成后出現影響線路安全的礦層采掘活動。

3 回采對線路的危害性評價

3.1 影響路基承載力，破壞路面。路線K31+545～K31+700段落路區155m長，礦界防水煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，開采后建設場地將有非常顯著（1～3米）的地表沉降，在公路建成后也沒有可靠的工程措施能絕對預防這種巨量地表變形。煤柱的開采將造成擬建公路路基大范圍下沉，在豎直方向上產生拉伸變形，將引起路基本身松馳，還有可能在不同土質界面上產生脫層，影響路基的承載力，加大地表的傾斜和拉伸變形，對路基的穩定性產生影響，同時反映到路面上將出現路面開裂等病害[1]。

3.2 影響公路線形及路面坡度，降低公路技術指標，易引發交通事故。采空區冒落塌陷的不連續與沉降，引起路基隨之產生下沉，使得路面的原有坡度出現變化。路基在下沉的同時，必然伴有水平方向的位移。垂直于路線方向的橫向移動將改變路基原有的方向，沿路基縱向的水平變形，會使路基受到拉伸和壓縮，上述兩種移動的不均勻性，會使高速公路坡度發生變化及豎曲線形態的變化和線路方向的改變等，嚴重時造成行車事故[2-4]。

K31+545～K31+700段落煤層采深采厚比大于40，地表出現不連續沉陷可能性不大，但是局部沉陷盆邊容易出現拉張裂縫，引起路面損害，從而降低道路行車技術指標，路基路面面臨隨開采活動影響下反復整修的長期運營壓力。

圖2 采空區地表移動延續時間

3.3 開采對通道構筑物結構造成危害。根據路線設計明確：K31+734.000(4X3.5m)鋼筋混凝土蓋板通道，地下520米深5米以上厚度的礦界煤柱開采，依據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03-2011）圖 D.0.3(圖 2)推斷在開采后 6～7個月內會引起地表1～3米的整體下沉，并伴有長期的殘余變形發生，過程將持續3～5年。地表下沉將顯著降低涵洞構筑物高程，沉降過程中結構物次生應力的不斷轉化調整，容易引起結構物開裂破壞，情況嚴重可能引起公路斷通，造成不良社會影響。

3.4 K31+545～K31+700段落路區155長，保護煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，其開采過程首先需要防治水，一般會抽排大量的老空水，吳村煤礦本已是沉降穩定的采空區，可能因大范圍地下水的抽排，活化地層結構，引起大范圍吳村老采空區地表不穩定變形與地層固結沉降，擴大采動影響范圍，造成大段落不合格路基出現，技術風險難以控制。

4 回采后路線方案對策研究

4.1 2014年1月22日電話調查古漢山礦區主管領導確認焦煤集團正在研究保護煤柱的開采技術方案，并已上報國土資源廳待審批中，預期2015年開始回采礦界煤柱，建議項目業主盡快介入此事，確保跟礦區協調落實K31+545～K31+700段落礦界煤柱禁采事宜，保證高速公路項目建設安全。

4.2 在協調過程中，建議與礦企建立長效技術合作機制，協助項目設計與建設單位能夠獲得礦企詳細有關保護煤柱的地質與采礦資料，以便開展保護煤柱開采相關課題的研究工作。

4.3 K31+545～K31+700段落礦界煤柱的開采，對大采深采空區也難有可靠技術措施完全杜絕對線路的不良影響，能開展的工作是執行嚴密的地表變形監測方案，結合礦區地下開采進程及采動程度，對線路采取定期維護對策。在新修高速公路的定期維護過程中，需提前從政治、經濟和技術等多方面做好對策預案，以免新建高速剛通車因地下回采引起路基沉降等病害在社會上產生不良影響。

5 結語

高速公路穿越儲煤區的建設問題，涉及到采煤、采空沉陷、路基路面、橋涵加固、結構糾偏、變形監測、運營維護等多學科知識體系，綜合性強，技術難度大、風險高，決策困難。目前的國內規范規程都用簡單的保護煤柱留設應對，但是該方法又大范圍壓覆煤炭資源，切割煤田開采工作面，嚴重影響煤田正常生產與企業效益。該問題可行的技術研究方向是對采礦與公路建設開展聯合設計工作，目前國內在這方面還沒有開展相應的工作，設計規范的限制與行業利益的交織及行業體制原因制約了該技術方向的發展，這也是目前該領域最有價值的發展方向，建議行業同仁積累經驗，共同推動行業進步，最大化地提高國土資源利用效益。

[1]孫忠弟.高等級公路下伏空洞勘探、危害程度評價及處治研究報告集[R].北京：科學出版社，2000.

[2]杜廣印，童立元，劉松玉.高速公路下伏多層煤礦采空區處治方法研究[J].東南大學學報，2001，31（3）：115～118.

[3]朱金寶，郝志東，張引良等.采空區探測及其處理[J].露天采煤技術，2002(3)：39-40.

[4]計中彥.隧道采空區處理技術探討[J].交通標準化，2013(15)：62-64.