宜彝高速公路采空區變形計算及預測分析

段學軍，崔桂陽

(中建路橋集團有限公司 石家莊市 050021)

隨著我國經濟建設的發展，從而使得交通事業蓬勃發展，公路網越來越密集，因此在進行高速公路規劃設計時，不可避免地需要從一些采礦區通過，因此，采空區變形及其地基的穩定性成為制約工程建設的一個非常重要的因素。

采空區是指地下固體礦產(煤炭、金屬礦等)開采后，上覆巖體失去支持而導致破壞，引起的應力重分布。采空區上部的巖體變形及移動會波及到地表，形成地表移動盆地。在采空區上部修建高速公路時，采空區上部巖體沉陷變形影響著路基的承載能力及穩定性。

宜賓至彝良高速公路通過地區系四川盆地向云貴高原過渡地帶，在筠連段遇到多處采空區。由于采空區的存在，為路基穩定性及高速公路的運營提供了安全隱患，因此對采空區進行變形及穩定性預測是必需的。

1 項目概況及采空區特征

宜賓至彝良高速公路(四川境)是《四川省高速公路路網布局規劃》(2011年調整方案)中新增的8條南北縱線之一。線路在K64+250～K67+800穿越二疊系上統龍潭組(P2l)(亦稱宣威組(P2x))含煤地層。該組地層在筠連分區范圍內，龍潭組二段為主要含煤段，共含煤9層，但僅位于該段下部的3、7、8號煤層可采，其中8號煤層可分為8-1、8-2、8-3三個相對獨立的分層，本段可采及局部可采煤層均產自上段地層中。該段及其影響范圍內，共分布23個廢棄老窯及1個生產礦井。

區內淺部煤炭多被老窯開采殆盡，老窯開采規模不大，且采空區形成的時間久遠，未誘發大的巖土體變形和地質災害現象。由于煤層開采對巖土體和自然環境的破壞影響至今未做觀測，資料缺乏，本次勘察結合《煤礦采空區專項地質調查》報告，調查系井上觀測、訪問和綜合分析的方法進行調查。

調查期間項目區各煤礦均處于無限期停產整頓期間，故未進入井下調查。著重對區內仍存在生產的煤礦的回采面、巖煤巷和礦方掌握的部分采空區情況進行了詳細了解。區內含煤地層多為泥巖、砂質泥巖。老頂、老底多為厚層狀砂巖，層厚一般1～5m，少數7～20m。煤層開采凈寬一般0.3～3.5m，頂、底板走向較為平直，傾角22～63°。在有坑木或局部填充物支撐的情況下，頂板懸空，出現較大面積的空腔，空腔長寬一般20～50m，少數達100余米(順煤層傾向長度)，空腔內一般潮濕～干燥。區內采空區局部地段頂、底板泥巖厚度較大，巖體裂隙發育，采掘破壞較嚴重，巖體多產生剪切滑移和脫層冒落現象，頂板垮塌之后，松散巖塊將空腔逐漸填滿，此變形情況為區內采空變形的主要現象；另一種情況為頂底板較完整的軟質巖，層理發育，煤層采空后，頂板在自重應力之下向采空底板緩慢變形，逐漸擠壓閉合。采空區采動變形一般情況如圖1。

圖1 采空區采動變形示意圖

2 采空區變形計算及預測

根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001)(2009版)中5.5.3條規定對現采空區及未來采空區，應通過計算預測地表移動和變形的特征值。根據《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03-2011)表4.2.2的要求，高速公路采空區地基容許變形值為：傾斜值i=4.0mm/m；水平變形值ε=3.0mm/m；曲率值K=0.3mm/m2。

K65+000～K67+800段(筠連縣城以南青山井田)二疊系上統龍潭組(P2l)煤系地層，該段內老窯密集分布，且主采煤層層數多，厚度相對較大。

2.1 地表最大下沉值預測

(1)初采煤層

Wmax=M·q·cosα

式中：M—煤層真厚度(m)，見表1；

q—下沉系數(mm/m)；

α—煤層傾角(°)。

計算結果見表1。

表1 初采煤層最大下沉值計算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產礦井)單獨定名，不為區內煤層統一定名

(2)復采煤層

Wmax復采=M·q復采·cosα

式中：M—煤層真厚度(m)，見表2；

q復采—復采下沉系數(mm/m)，取值為0.96，該值為q(1+a)，其中a為下沉活化系數，取0.20；

α—煤層傾角(°)。

2.2 地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形預測

表2 復采煤層最大下沉值計算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產礦井)單獨定名，不為區內煤層統一定名

(1)初采地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形預測

最大傾斜值：imax=Wmax/r (mm/m)

最大曲率值：kmax=1.52Wmax/r2(mm/m2)

最大水平移動值：umax=b·Wmax(mm)

最大水平變形值：εmax=1.52Wmax/r (mm/m)

式中：r—地面影響半徑(m)，為H/tanβ；

H—開采深度(m)；

b—水平移動系數，根據上覆巖性取值，為0.30×(1+0.0086a)；

tanβ—主要影響角正切，為(D-0.0032H)(1+0.0038a)。

計算結果見表3。

表3 初采煤層地表移動和變形計算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產礦井)單獨定名，不為區內煤層統一定名

(2)復采地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形預測

最大傾斜值：imax復采=Wmax復采/r復采(mm/m)

最大曲率值：kmax復采=1.52Wmax復采/r復采2(mm/m2)

最大水平移動值：umax復采=b·Wmax復采(mm)

最大水平變形值：εmax復采=1.52Wmax復采/r復采(mm/m)

式中：r復采—地面影響半徑(m)，為H/tanβ復采；

H—開采深度(m)；

b—水平移動系數，根據上覆巖性取值，為0.30×(1+0.0086a)；

tanβ復采—主要影響角正切，為tanβ+0.06236lnH-0.017。

計算結果見表4。

表4 復采煤層地表移動和變形計算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產礦井)單獨定名，不為區內煤層統一定名

通過上述預測計算，采空區段落內的最大變形值分別為：傾斜i=0.0064～0.0215mm/m；曲率K=0.00013675～0.00048258mm/m2；水平變形ε=0.0098～0.0326mm/m。計算結果均未超過規范規定的限值，采空區對地表建筑物造成的損壞等級為Ⅰ級，即極輕微損壞或輕微損壞。

3 采空區路基及其處治原則

測區二疊系上統龍潭組(P2l)含有煤層，該地層含煤10余層，可采煤層6層，可采煤層平均厚7.08m，可采含煤系數4.92%。路線附近有國有和私有采礦井(窯)，還有以前的廢礦井(窯)，若路線通過處頂板厚度不夠，有可能發生塌陷。采空區對路線有影響主要為K64+250～K67+800段，該段為小型煤礦采空區集中地段。

對于采空區路段，路線布設時應盡量避繞。當無法繞避時，采空區治理應根據工程特點及處治目的，并充分考慮采空區地質條件、煤礦開采方式、現場施工條件等各方面影響因素，選擇經濟合理的處治方法。

(1)對于采空區覆巖發生較嚴重的垮塌的地段，采用注漿處理措施。

(2)對于頂板完整性差，巖體強度低，易開挖，埋深小于6m采空區，采用開挖回填法。對于周圍無任何建筑物，埋深6～20m的采空區，可采用爆破采空區頂板，回填后采用強夯或重錘夯實；采用爆破受限的路段，則采用橋梁型式跨越。

(3)對上覆巖土體強度很低，埋深大于20m的采空區，采用橋梁型式跨越。

4 結論

通過對宜彝高速公路采空區變形計算及預測等分析，計算結果均未超過規范規定的限值，采空區對地表建筑物造成的損壞等級為Ⅰ級，即極輕微損壞或輕微損壞。但仍應按照其采空區埋置深度、巖層條件采取相應的治理措施。