陽城至蟒河高速公路下伏采空區穩定性評價

常文偉

（山西路橋集團 陽蟒高速公路有限責任公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西省是煤炭資源大省，改革開放以來累計產出原煤百億噸，為國家經濟發展提供了重要的能源保障。煤礦開采方式多樣，產生的采空區分布范圍廣，地質條件復雜。隨著我國基礎設施建設項目的加速實施，山西省許多地方修建高速公路都不可避免地要通過采空區。采空區不良地質問題已經成了困擾山西省高速公路建設的難題之一，在很大程度上阻礙了山西省高速公路建設事業的發展。

大量學者對高速公路穿越采空區的問題進行了研究[1-5]，但由于不同礦區的地質條件不同且差異較大、采空區影響高速公路的范圍不同、采空區上方的公路基礎設施類型不同，因此，為了保證穿越采空區公路的運營安全，應針對不同地質條件、不同開采方式的采空區進行具體的研究和分析。

陽蟒高速位于山西省晉城市陽城縣境內，作為陽城至濟源高速公路的重要組成部分，是山西省與河南省對接的省際公路通道之一。在前期工程地質勘察中，發現陽蟒高速設計路線在多處穿越采空區，對采空區上方的擬建路基、橋梁、邊坡等造成了威脅。本文在充分掌握采空區路段地質條件、開采方式、采深、采厚、回采率等參數的基礎上，對高速公路下伏采空區進行穩定性評價。

1 陽蟒高速公路煤礦采空區分布情況

通過資料搜集、調查與實測、物探與鉆探等手段，探明沿線涉及到的煤礦有3座，分別為西河煤業演禮煤業采空區、西河煤業采空區、村辦小煤窯采空區，其具體分布情況及參數見表1。

表1 陽蟒高速采空區分布情況表

2 采空區穩定性評價

采空區變形是一個復雜長期的過程，采礦條件、地質條件、開采時間、開采規模等多種因素均會對其產生影響。參照工程實踐和煤礦地表移動變形觀測資料，綜合各種因素，采空區地基穩定性受地質條件、開采方式、采深、采厚、開采時間等多種因素影響，因此，對于房柱式開采非充分采動條件下，采空區的穩定性采用采深采厚比的參數對采空區穩定性進行評價，對于巷道式開采非充分采動條件下采空區的穩定性采用極限平衡法進行評價。

2.1 巷道穩定性評價

經調查訪問、鉆探，在西河樞紐巷道采空區、中寨大橋及北梁大橋下存在巷道式采空，采用極限平衡法計算，按松散巖體計算。

松散巖體計算公式：

式中：B為采空區巷道寬度，m；p0為公路路基基底壓力，包括行車荷載及路基、路面荷載，kPa；γ為上覆巖層加權平均重度，kN/m2；φ為上覆巖層加權平均內摩擦角，（°）。

對比采空區的實際埋藏深度及臨界深度，按式（2）可求得采空區頂板的穩定系數Fs，按照采空區公路設計與施工技術細則評價小窯采空區場地的穩定性。

式中：H為巷道頂板的實際深度，m；Hcr為巷道頂板的臨界深度，m。

2.1.1 西河煤業下方巷道

該區微地貌為黃土陡坡和沖溝，巷道位于地表下埋深125～180 m，上覆巖土層平均厚度24 m，基巖平均厚度126 m。

根據室內試驗資料，松散土層的重度取值18.6 kN/m3，巖石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 γ=（18.6×24+27.5×136）/160=26.2 kN/m3，p0=50 kN/m2。巷道底板標高均為620 m，巷道高度均為4.3 m，其中巷道寬度均為7 m。

代入式（1）和式（2）進行計算，可得 Hcr=38.27 m，巷道頂板位于路線設計標高下120～160 m，穩定系數Fs=3.1～4.2，根據表2穩定性等級評價標準，巷道對高速公路的穩定性無影響。

表2 單一巷道式采空區場地穩定性等級評價標準

2.1.2 中寨大橋

該區微地貌為黃土陡坡和沖溝，巷道位于地表下埋深130～153 m，采空區位于設計標高下135～153 m，上覆土層平均厚度24 m，基巖平均厚度111 m。

根據室內試驗資料，松散土層的重度取值18.6 kN/m3，巖石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 =（18.6×24+27.5×111）/135=29.52 kN/m3，p0=150 kN/m2。 巷 道 底 板 標 高 均 為620 m，巷道高度均為3 m，其中巷道寬度均為5 m。

代入式（1）和式（2）進行計算，可得 Hcr=30.9 m，巷道頂板位于路線設計標高下100～153 m，穩定系數Fs=3.2～4.9，根據表2穩定性等級評價標準，巷道對高速公路的穩定性無影響。

2.1.3 小窯采空區

該采空區上方公路設施類型為大橋，上覆巖土層平均重度 γ=（18.6×5+27.5×15）/20=25.28 kN/m3，p0=150 kN/m2，路線下巷道拐角處寬度為3 m，代入式（1）和式（2）進行計算，可得Hcr=20.2 m，地面與巷道頂間距平均H=20 m，穩定系數Fs=0.98，根據表2穩定性等級評價標準，此巷道不穩定，對樁基礎的橋梁有較大影響。

2.2 房柱式開采穩定性評價

西河煤業和演禮煤業均為房柱式開采，采用采深采厚比的參數對場地穩定性進行評價。

表3 不規則柱式采空區場地穩定性等級評價標準

西河煤礦采空區位于設計標高下46～180 m，采厚4.3 m，設計標高下采深采厚比11～42，上部為中硬覆巖，因此不穩定。演禮煤礦采空區位于地表下埋深 81～161 m，采空區位于設計標高下 46～102 m，采厚4.3 m，設計標高下采深采厚比11～24，上部為中硬覆巖，因此為不穩定。

3 結論與建議

本文在充分掌握采空區路段地質條件、開采方式、采深、采厚、回采率等參數的基礎上，對陽城至蟒河高速公路巷道式開采和房柱式開采兩種類型的采空區分別進行了穩定性評價。巷道式開采非充分采動條件下采空區的穩定性采用極限平衡法進行評價，房柱式開采非充分采動條件下采空區的穩定性采用采深采厚比進行評價。

西河煤業和中寨大橋下方巷道式采空區處于穩定狀態，小煤窯巷道式采空區處于不穩定狀態，會對上方擬建的樁基礎橋梁產生影響。西河煤業和演禮煤業房柱式采空區均處于不穩定狀態。