某公路采空區地表變形特征及穩定性評價分析

魏見海，莫天健，滕金勇

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路采空區是一類非常特殊的巖土工程問題，工程建設一般應盡量避開采空區地段。近年來，隨著公路建設的不斷發展，部分公路工程無法避免要穿越采空區。而煤礦采空區容易導致上覆圍巖變形失穩產生位移、開裂、破碎垮落，從而引起地表產生變形與破壞，對公路建設影響較大。因此，對公路采空區的變形特征及穩定性評價有著重要的意義。本文以某公路下伏采空區為例，通過采礦資料收集、地質調查、采礦調查、地球物理勘探、工程鉆探等手段詳細查明采空區的空間分布特征，并在此基礎上對該公路下伏采空區進行穩定性評價。

1 采空區工程地質情況

該公路沿線經過3處采空區，分別為廣西宜州金源煤業有限公司拉浪二號井、拉浪三號井以及拉浪六號井，2010年以來一直處于整改當中，未進行相關生產工作。其中線路K1+640～K2+743經過拉浪二號井；線路K0+445～K1+640經過拉浪三號井；線路K4+353～K5+555經過拉浪六號井，分別以路基形式通過，公路線路與采空區位置關系見圖1。

圖1 公路線路與采空區位置關系平面圖

根據現場核實、走訪當地村民、礦工等調查及巷道分布圖，并結合現場鉆探、物探等資料分析，場地巖層傾角約150°∠10°，整個礦區煤層總體傾向向東。礦井采用一對斜井開拓，采用傾斜長壁采煤法采煤，封孔前煤柱未進行回采。

(1)二號井：煤層厚度約1.5 m，標高125～147 m，線路K2+200～K2+743未開采，不存在采空區；線路K1+640～K2+200為采空區，巷道寬度約2 m，封孔前煤柱未進行回采。

(2)三號井：煤層厚度約2.5～2.9 m，高程147～175 m，線路K0+445～K0+800、K1+300～K1+550不存在采空區；線路K0+800～K1+300存在老煤窯開采的采空區，線路K1+550～K1+640為采空區，巷道寬度約2 m，封孔前煤柱未進行回采。

(3)六號井：煤層埋深標高140～170 m，線路K4+353～K5+555路段未開采，不存在采空區。

通過調查，該礦井開采深度較大，開采范圍較窄，地表未產生移動盆地，地表無變形。

2 采空區地表移動變形特征

2.1 采空區垮落帶、裂隙帶高度計算

根據鉆探及《煤礦采空區巖土工程勘察規范》(GB 51044-2014)附錄A，該采空區覆巖破壞類型為三帶型，覆巖破壞可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶；當垮落帶和斷裂帶未達到地表時，地表應為連續變形，當垮落帶和斷裂帶能達到地表時，地表應為非連續變形。采空區垮落帶、裂隙帶的高度計算方法是：

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》附錄L以及《采空區公路設計與施工技術細則》附錄C，煤層傾角α<55°，煤層頂板為硬質巖、軟質巖或其互層時，開采空間和垮落巖層本身的空間可由頂板的下沉或垮落巖石的碎脹填滿，開采單一煤層時垮落帶及裂隙帶最大高度計算公式如下：

M——煤層厚度。

(1)二號井：根據收集及鉆探資料，煤層埋深高程為125～147 m，線路設計高程為230～247 m，礦井開采平均深度H=102 m，煤層厚度M=1.5 m。

(2)三號井：根據收集及鉆探資料，煤層埋深高程為147～175 m，線路設計高程為207～230 m，礦井開采平均深度H=57 m，煤層厚度2.5～2.9 m，取煤層平均厚度M=2.7 m，如表1所示。

根據表1計算結果可知，二號井(K1+640～K2+200段)采空區垮落帶高度與裂隙帶高度之和小于開采深度，地表變形破壞為連續變形破壞模式；三號井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區垮落帶高度與裂隙帶高度之和大于開采深度，地表變形破壞為非連續變形破壞模式。

2.2 采空區地表移動變形計算

根據《采空區公路設計與施工技術細則》，公路采空區穩定性分析與評價可分為場地穩定性評價和公路工程地基穩定性評價兩部分。場地穩定性評價應以采空區地表剩余下沉量作為評價依據，公路工程地基穩定性評價應以各類工程地基容許變形值作為評價依據。地表移動變形預計評價法計算過程如下：

本采空區地表移動無實測資料，并且H≤400 m，地表移動的延續時間可按T=2.5 h確定，即：二號井(K1+640～K2+200段)采空區地表移動的延續時間為255 d，三號井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區地表移動的延續時間為143 d。擬建公路采空區停采時間為2010年6月停采，停采時間較長，遠>255 d，地表變形處于衰退期階段，取下沉率為0.95。

(1)地表剩余下沉量估算(見表2)

地表最大下沉值：

Wmax=mqcosα

式中：m——礦層厚度；

q——下沉系數，覆巖為石灰巖，巖石單軸飽和抗壓標準值73 MPa，q取0.5；

α——煤層傾角。

(2)地表傾斜值、地表曲率及地表水平變形值的確定

根據《采空區公路設計與施工技術細則》，采空區場地地表傾斜值、地表曲率及地表水平變形值由下列公式確定。

式中：w——地表下沉值，主要為場地整平后的地表剩余移動變形值，即地表剩余下沉量；

r——采空區邊界地表主要影響半徑；

b——水平移動系數，取0.25；

H——采空區底板深度；

β——主要開采影響角(β取60°)。

各采空區的地表最大下沉量、地表傾斜值、曲率和水平變形值計算結果見表3。

綜上所述，二號井(K1+640～K2+200段)采空區垮落帶高度與裂隙帶高度之和小于開采深度，地表變形破壞為連續變形破壞模式；三號井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區垮落帶高度與裂隙帶高度之和大于開采深度，地表變形破壞為非連續變形破壞模式，停采時間較長，遠>255 d，地表變形處于衰退期階段。

3 采空區路基穩定性評價

3.1 定性評價

擬建公路采空區穩定性評價標準根據剩余下沉值、地表傾斜值、地表水平變形值及地表曲率值綜合評價，評價標準見表4。

根據表3及表4綜合判定，二號井(K1+640～K2+200段)及三號井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區場地穩定性等級綜合評價均為穩定。

3.2 定量評價

采空區場地穩定性評價方法可采用如下公式計算：

當H>H0時，路基不穩定；當H01.5H0時，路基穩定。計算結果見表5。

注：假定路基荷載為250 kN/m

從表5可以看出，二號井(K1+640～K2+200段)及三號井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空區場地穩定性等級綜合評價均為穩定。路基工程可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩定性，路面設計可采用柔性材料，以滿足采空區剩余變形量的要求。

4 結語

本文通過對某公路下伏采空區的工程實例進行研究，分析采空區的破壞類型，并對采空區的地表移動變形進行詳細計算，預測采空區的地表剩余變形量，對該公路工程項目的穩定性進行評價，為相應公路設計與施工提供依據，對公路下伏采空區分析與評價具有一定的參考價值。