公路下采煤引起路面變形的機理研究與實踐

楊曉威 陸梅紅 周華強

（1.江蘇省第一工業設計院股份有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

1 概況

平禹煤礦1311工作面主要為公路下保護煤柱，平均埋深300m，煤層平均厚度3m，煤層傾角5°。煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚8.1m，基本頂為中粒砂巖，平均厚3m。工作面走向長450m，傾向長87m。

地面公路沿工作面傾斜方向橫穿工作面，為雙向四車道省二級公路，圖1所示，水平跨距約96m，路面寬約23m。路面為半封閉的次高級柏油路面，屬于半剛性路面，公路結構從上向下分為碎石瀝青路面、水穩層、路基及部分墊土層和防水隔層，其中土基厚約250mm，水穩層厚度230mm，水穩層以上結構厚為135mm。

圖1 公路與回采工作面位置關系

在不考慮充填開采及留煤柱開采情況下，設計采用走向長壁后退式采煤方法、綜合機械化采煤工藝，回采率95%。借助于概率積分法，結合工作面實際開采條件，分析得出公路兩側各120m內限厚采高2m為最佳方案，預計公路最大傾斜變形值為4.1mm/m，最大水平變形值為3.5mm/m，滿足二級及以下公路、路面為高級及次高級路面的容許變形值要求。

2 采動影響下地面觀測數據整理與分析

為了分析采動對地表建（構）筑物的影響程度，在采動影響范圍內，建立地表移動變形觀測點。地面觀測沿公路布置觀測點，分別沿工作面傾向方向布置 28個觀測點（A1～A14、B1～B14），走向方向與傾斜方向交點為0號觀測點，走向方向布置14個觀測點（L01～L14）。

2.1 現場公路受采動影響現狀

隨工作面推進，路面發生了階段性變化。前期以水平拉伸為主，路面發生裂紋及傾斜變形，對路面行車安全無影響。中期表現為水平擠壓現象比較嚴重，路面鼓包由小變大，路面拱起變形最大高度約120mm。后期表現為路面下沉及斷裂縫，影響范圍50m內路面出現波浪起伏狀。現場實測裂縫寬50mm，路面裂縫延展長度11m。

2.2 觀測數據整理與分析

隨著工作面不斷推進，地表共進行了40次觀測，工作面共推進了253m，從中選取十三組觀測數據分別對公路下沉量及水平移動變形量進行分析。

路面觀測范圍為工作面兩側各350m范圍內，根據工作面推進度，分析對公路的下沉影響。從曲線圖2可以看出，距離采煤工作面越遠，影響越小，其中200～350m范圍以外公路下沉量最小，采動影響程度較輕。靠近工作面中心線20～30m范圍內的路面下沉值最大為450mm，沉陷穩定之前還會存在部分殘余變形[1]，后期公路修復過程中應充分考慮殘余變形的影響。

圖2 沿公路走向各觀測點下沉變化曲線圖

（2）采動引起的路面上各觀測點間的水平移動變形數據分析

從現場看，公路受采動影響下發生了部分路面下沉、局部鼓起及裂縫等現象。選取現場部分數據進行整理分析，見圖3所示。

圖上B1～B13相鄰兩點間的水平距離逐漸增大，水平拉伸變形增加。當拉伸變形超出路基屈服強度后，就會發生斷裂，路面會出現裂紋，現場裂縫位于B1～B7之間。A1～A13各觀測點相鄰水平間距不斷縮小，公路受到了擠壓變形，路面出現隆起變形。

圖3 公路上各觀測點間水平變形曲線圖

3 公路變形機理研究與分析

3.1 采動影響下上覆巖層移動理論分析

由于采動影響導致上覆巖層發生移動，地表產生沿豎直方向和水平方向的位移，導致地表相鄰點的下沉和水平移動量是不相等的，點與點之間相對移動，改變了公路路基原載荷穩定狀態，造成路面發生彎曲變形，如路面形成彎曲下沉、彎曲拱起及斷裂縫等現象[2]。在采動影響下，公路發生彎曲變形分為兩種情況：一種情況是采動影響下地表巖層的水平移動形成路面彎曲現象；另一種情況是采動影響下地表及路基下沉，造成路面下沉彎曲現象。根據路面變形情況繪制路面彎曲變形剖面圖，見圖4所示。

圖4 路面彎曲變形剖面圖

受工作面開采影響，路面將發生隆起、下沉、斷裂等變形。當工作面后方基本頂來壓時，覆巖發生彎曲變形，并形成彎曲下沉帶，這是造成公路面發生較大變形的直接原因。由于公路為半剛性路面，路基起到主要支撐作用，路基受周圍水平應力擠壓影響，自身發生屈服變形，形變量集中后，反映到上覆瀝青路面就形成鼓起現象。隨著工作面不斷向公路正下方推進，巖層水平移動變形會不斷增大，鼓起部分沿軸線延展。為防止影響行車安全，應及時對路面進行修補[3]。

當工作面推出公路正下方時，路面完全處于采空區內，路面呈整體下沉，公路下沉帶動南北兩側路面不均勻下沉，兩側拉應力大于路面自身屈服強度后，路面則會發生下沉和斷裂變形。

在采動影響下，上覆巖層的移動是導致路面發生一系列變形的最主要因素之一。受斷層構造影響，地表移動變形較劇烈，斷層在巖體介質中處于弱面，自身的力學強度要低于圍巖體的力學強度，工作面開采過程中形成的附加應力作用，使斷層影響區域的巖層與地表移動和變形呈現出非連續性，是地表沉陷中斷層“活化”[4]及突變的結果。

工作面偏北路面出現較大斷裂縫，而偏南側沒有出現較大斷裂縫，證明工作面南北兩側巖層移動變形的劇烈程度受斷層影響出現偏差。

已有研究表明，工業化和城市化相互促進，兩者具有正相關關系，也就是說城市化率越高工業化程度就越高。錢納里和庫茲涅茨的工業化發展水平評價體系認為，前工業化階段，人口城市化率30%以下；工業化早期，人口城市化率30%～50%；工業化中期，人口城市化率50%～60%；工業化后期，人口城市化率60%～75%；75%以上為后工業化階段。

3.2 巖層水平移動造成公路斷裂力學分析

（1）力學模型分析

在不考慮路面車輛荷載的情況下，根據彈性力學基本理論，借助胡克定律計算受采動影響下水平移動變形造成的路面斷裂縫時的變形量ε。通過分析，應力變形值與公路路面材料性質及水平應力大小有很大的關系。不考慮路面的車輛荷載，只考慮水平方向主應力及水平移動變形值，并結合土力學中莫爾應力圓理論建立的主應力極限平衡條件，推導后的變形量ε簡化計算公式為：

式中：

ε-水平應力變形值，mm/m；

c-粘聚力，取1.5MPa；

μ-泊松比，取0.35；

E-路面抗彎沉結構模量，取30MPa；

φ-內摩擦角，取45°。

經理論計算，公路抗水平最大應力變形值為210mm，與現場實測數據相比，理論計算值偏小，其主要原因是部分計算參數取值理想化所致。因此，需要通過理論分析與實踐相結合的方法，綜合分析采動影響下路面發生的變形機理。

（2）路面發生變形機理分析

通常在拱起的路面不遠處，就會形成一個較大的裂縫，目前瀝青混凝土路面一般為連續的完整路面，當水平拉伸應力作用超出自身的屈服強度時，就會形成斷裂。在工作面中心位置，受兩端相向水平應力作用影響，路面受到擠壓發生拱起變形。在工作面范圍以外，受拉伸應力作用發生大小不一的裂縫。由于地面表土層厚度分布不均勻，且公路呈現一定的走向坡度，厚度較薄一側與另一側對比起來水平應力影響程度較大，路面發生變形裂縫現象也比較明顯。當工作面完全推出公路范圍約15m左右時，路面形成較大的裂縫，與基本頂周期來壓步距基本一致。

因此，過公路下開采既需要考慮限厚開采，同時也需要合理布置工作面及循環作業進度，充分考慮基本頂周期來壓步距，做好路面及時修復準備，為公路安全行車提供預測預防。

4 總結

公路下采煤要做好技術合理性評價工作，在技術上要提前采取一定的防控措施，確保路面與路基不發生離層，基于受護對象自身抗變形能力條件，提出合理的公路下采煤方法，減小對地面建（構）筑物的影響范圍及損壞程度，保證路面安全行車要求，降低公路修復成本，實現路面簡修或不修。