某高速公路采空區穩定性分析及治理研究

楊加發 陳 海

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州省具有獨特的地理位置與特征，除了明顯的喀斯特地貌外，也包含煤層豐富的煤系地層。當受到開采后易形成采空區，并存在一定失穩風險，因此在與后期工程交叉處，須對其進行治理[1]。采空區變形是一個復雜長期的過程，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[2]，采空區下沉會造成地表坍塌，結構物損壞、開裂等破壞[3]。目前常用采空區處治方法包含崩落圍巖處理空區、充填法處理空區、永久礦柱或構筑人工石柱處理采空區、封閉和隔離處理采空區、聯合法處理采空區。實際工程中需結合工程及采空區特點，選用合適的處理方法進行處理。

1 工程概況

本采空區工程位于貴州省某高速K2+820-K3+560段左1 180-右1 160 m處，路基以挖方及填方的形式通過，采空區影響范圍內包含金西特大橋。采空區平面圖見圖1。

圖1 采空區平面位置圖

根據既有資料可采煤層為K7和K8，其線路方向埋深70～270 m。該路線主要工點金西特大橋，跨越采空區高填方路基、挖方路基，煤礦采空區范圍內長度約為740 m。

路線K1+959-K3+800段位于采空區影響范圍內，其中K1+959-ZK2+631段為金西大橋、K2+631-K3+800段為路基。K2+820-K3+560段通過煤礦采空區，范圍內長度約為724 m。

場區分布有二迭系中統吳家坪組-長興組(P2w-c)煤系地層，路基穿越煤系地層，場區分布的煤系地層經煤礦開采已形成大面積的地下采空區，對路基存在影響；場區分布的煤系地層巖性主要以灰巖、泥巖、泥質灰巖為主，夾煤層，煤系地層巖性組合多樣，總厚242～348 m，一般厚度280 m。采空區縱斷面圖見圖2。

圖2 采空區縱斷面圖

2 采空區特點

采空區含煤9～13層，最大含煤厚度9.9 m，含煤系數3.5%，可采煤層2層(K7、K8)，最大可采厚度5.54 m，煤層多集中在煤系地層中部。

其中K8煤層下距K7煤層14.34～17.98 m，平均15.79 m。頂由12 m左右的燧石灰巖直接所覆蓋，底板由3 m左右頁巖、砂質頁巖組成。煤層結構比較簡單，根據地勘資料統計，煤厚一般0.69～1.82 m，平均厚1.06 m，屬較穩定煤層。

K7煤層上距K8煤層一般14.34～17.98 m，平均15. 9 m；下距K6煤層一般2.98～9.41 m，平均7.35 m。頂板由5～8 m燧石灰巖組成，底板為10 m左右的砂質頁巖。煤層結構簡單，根據15個原勘探鉆孔所獲資料統計，煤厚一般1.33～3.54 m，平均厚1.39 m，厚度變化較大，但都在可采范圍內。

煤層傾角約18°，礦井采用長臂式采煤法，后退式回采，回采率95%；采用鉆孔爆破落煤，煤礦同一區段內先采K8，然后再開采K7的順序開采，地下已形成大面積采空區，采空區埋深70～270 m。路線采空區處為路基，但金西大橋部分橋墩位于采空區影響范圍內。

3 采空區穩定性分析

3.1 采空區穩定性初步評價

根據既有資料煤礦區2004-2015年采用大規模長壁法開采形成的采空區，且停采約10年，目前處于基本穩定狀態，但由于采空區地形地貌復雜，地質構造發育且煤層采空區仍會在一段時間內產生持續的沉降變形，綜合分析初步判定采空區地表場地處于基本穩定～欠穩定狀態，具體評價因子見表1。

表1 煤礦采空區及采空區場地穩定性初步評價

3.2 采空區引起上覆巖層移動數值分析

1) 離散單元法簡介。離散單元法適合于節理裂隙較發育的巖體，并在采礦、隧道及邊坡等工程等方面具有較重要的作用。在實際工程中，對模擬和分析煤礦中因采礦引起的圍巖松動和冒落等力學行為，是目前最有效的計算方法之一。

該方法既能分析連續體，也可以分析非連續體及物體斷裂的問題，還能處理轉動及大位移問題，特別適于分析節理破碎的巖體力學問題[4]。

2) 計算剖面選取。根據采空區的特點，在采空區影響范圍內布置若干條橫斷面進行數值模擬分析，并對其中3個典型剖面進行詳細分析，剖面平面布置圖見圖3，分別為1-1’、2-2’、3-3’，其中1-1’剖面主要考察采空區對于金西特大橋的的影響，2-2’與3-3’剖面則主要考察煤礦采空區對路基的影響。

圖3 剖面平面布置圖

3) 數值模擬計算及計算結果分析。根據選取典型橫斷面，進行網格劃分，將分兩步進行模擬計算極限殘余變形，具體實施方法為：①先對K7、K8礦層進開采；②模擬采空區整體垮塌，計算極限殘余變形，具體各斷面計算及分析如下。

①1-1’計算剖面。根據既有地質資料，選取典型橫斷面，結合煤層傾向產狀及埋深情況，建立模型網格劃分，橫斷面1-1’網格劃分見圖4。

圖4 1-1’網格劃分

進一步模擬該橫斷面處地面的水平位移及豎向位移，見圖5、圖6。由數值計算結果可知，礦層完全開挖后，1-1’剖面地表水平方向上最大位移為94.5 mm，豎直方向上的地表最大位移為210.7 mm，典型橫斷面1-1’地表位移曲線見圖7。根據JTG/T D31-03-2011《采空區公路設計與施工技術細則》有關規定，橋梁墩臺區域為基本穩定區。

圖5 1-1’剖面水平位移(單位：mm)

圖6 1-1’剖面豎向位移(單位：mm)

圖7 剖面地表位移曲線

②2-2’計算剖面。同理，根據地質資料，將橫斷面2-2’進行網格劃分，見圖8，進一步模擬該橫斷面處地面的水平位移及豎向位移，見圖9及圖10。由數值計算結果可知，礦層完全開挖后，2-2’剖面地表水平方向上最大位移為56.0 mm，豎直方向上的地表最大位移為201.4 mm，典型橫斷面2-2’地表位移曲線見圖11，填方路基區域為基本穩定區。

圖8 2-2’網格劃分(單位：mm)

圖9 1-1’剖面水平位移(單位：mm)

圖10 2-2’剖面豎向位移(單位：mm)

圖11 2-2’剖面地表位移曲線

③3-3’計算剖面。同理，分析3-3’橫斷面，由數值計算結果可知，礦層完全開挖后，填方路基水平向位移26 mm，豎向位移為60 mm，為穩定區。

3.3 采空區穩定性評價

根據JTG/T D31-03-2011 《采空區公路設計與施工技術細則》的有關規定，應按地表剩余變形值來確定長壁式采空區的穩定性。采用地表移動殘余變形來進行采空區的穩定性評價，根據采空區穩定性評價標準，選用地表下沉值W、地表傾斜值i及水平變形值e的取值范圍作為評價該區域是否穩定的關鍵指標，評價標準見表2。

表2 場地穩定性等級評價標準

根據選取若干剖面對場區下沉值W、地表傾斜值i，以及水平變形值e進行分析，得出K1+959-K3+800對應的地表縱向沉降曲線、傾斜曲線及平變形曲線見圖12～圖14。

圖12 地表縱向沉降曲線圖

圖13 地表縱向傾斜曲線圖

圖14 地表縱向水平變形曲線圖

根據以上圖表分析，橋區地表水平變形值小于0.1 mm/m, 滿足采空區橋梁地基容許變形值要求。K2+700.00-K3+321.29段路基地表傾斜值、水平變形值，以及曲率、沉降值均滿足采空區地基容許變形要求，K3+321.29-K3+651.66段地表傾斜值、水平變形值，以及曲率、沉降值均不能同時滿足采空區地基容許變形要求，建議對該路段進行采空區處治。

4 采空區處治措施

4.1 采空區處治范圍確定

踩空區處治范圍受到煤層傾角、采空厚度，以及上覆巖層性質等因素影響[5]，結合前述分析確定采空區處理范圍，本采空區長度L0約227 m，上山方向采空區上覆巖層厚度H上約67.5 m，下山方向采空區上覆巖層厚度142.29 m，上山移動傾角γ為70°，下山移動傾角β為65°，采空區治理長度按式(1)計算，經分析路基采空區治理范圍長度為393 m。

L=L0+2hcotα+H上cotβ+H下cotγ(1)

同理根據維護帶寬度要求及移動影響寬度分析得出采空區最大處理寬度為234 m，采空區處理平均深度為112 m；采空區處治平面圖見圖15。

圖15 采空區處治范圍平面圖

典型橫斷面見圖16。

圖16 采空區處治典型橫斷面

4.2 處置方法選擇

采空區處理的目的是為了保證公路的安全施工及運營。采空區常用處治方法中崩落圍巖處理空區、注漿法處理空區可永久根治采空區，其它采空區處理方案只是臨時性的加固和隔離，均不能徹底消除采空區對高速公路的安全威脅。根據該采空區的特點，采空區需永久根治。

崩解法處理采空區會引起地面沉降，持續時間較長，且采空區埋置深度低，實施難度大，崩解會進一步引起地表開裂[6]。

注漿法是采用填充材料將采空區空腔進行充填，達到控制采空區變形沉降的目的，通過地表鉆孔進行注漿，對地表沉降影響也比較小，且能有效控制山體的穩定。故對該采空區采用充填法進行處治[7]。

4.3 采空區處治

根據地勘及既有項目處治經驗，本次采空區處治參數見表3。

表3 采空區處治參數

根據《采空區公路設計與施工技術細則》對采空區注漿區域的設計，所布置的注漿孔開孔孔徑約130～150 mm，終孔孔徑不小于91 mm，經初步估算治理下伏采空區域需布置帷幕孔133個(孔距10 m，布置在注漿區域邊界線)，注漿孔436個(孔距15 m，排距15 m)，平均孔深112 m，注漿量根據式(2)計算。

(2)

本采空區采用填充漿液為水泥粉煤灰漿液，根據已有項目經驗，水灰比取1∶1.2，水泥粉煤灰比例為3∶7，注漿量初步計算為9.53萬m3。

5 結語

采空區的處治是工程建設中的常見問題，在處治之前，應結合鉆探、搜集既有資料查明采空區的范圍、深度及回采率等特征。

根據既有資料，本工程采用數值模擬分析煤層K7及K8開采過程中穩定性，對不滿足規范要求的區域采取了有效措施進行處治。

結合采空區的特點，根據工程規模，采用注漿法對采空區進行處治，并結合相關規范，合理選擇注漿孔間距及注漿深度，避免了工程建設過程及后期運營期間因采空區沉降帶來損失。

采空區穩定性分析為相關治理提供了理論基礎，使得該采空區的治理有效且經濟。