高速公路下伏煤礦采空區變形分析及處治

任勝偉，王 剛，周靜利

（河南省新豫地質工程勘察院有限公司，河南 鄭州 450053）

煤礦采空區是指在煤礦開采作業過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔，經過一段時間后會形成塌陷，引發地表沉降[1]。高速公路屬于等級最高的干線公路，對路基沉降變形的控制要求非常嚴格。隨著我國經濟建設和交通運輸行業的快速發展，新建高速公路不可避免要通過已有的煤礦采空區上方，在采空區沒有達到穩沉條件情況下，需要采取處治措施，以保證高速公路建設和運行的安全。

焦唐高速汝州至方城段起于汝州市，向南經過平頂山市汝州市、寶豐縣、魯山縣、葉縣和南陽市方城縣，終點在南陽市方城縣，總長度100.528km。其中汝州至方城段（樁號K18+500～K22+300）及張八橋互通A/G/I/F四條匝道下方分布有原榮發煤礦、苗李煤礦（包含平豐煤礦）、金裕煤礦（包含金豫煤礦）、外窯煤礦及外窯聯辦煤礦的采空區。這些煤礦的開采歷史和開采方式復雜，地質條件變化大，不確定因素多，嚴重影響高速公路的建設及運營安全。需要詳細查明該路段下伏的煤礦采空區分布情況及特征，科學評價其穩定性，預測殘余沉降量，并提出合理的處治措施。

1 煤礦地質與采礦特征

焦唐高速汝州至方城段煤礦采空區主要分布在K18+500～K22+300 路段之間，地貌單元屬于丘陵。場地地層自下而上包括：上寒武統崮山組（∈3g）、上石炭統本溪組（C2b）、太原組（C2t）、下二疊統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、第三系（R）、第四系（Q），其中含煤地層為上石炭統太原組、下二疊統山西組、下石盒子組。區內水文地質條件較為復雜，地下水類型為砂巖裂隙水和灰巖巖溶承壓水，其中灰巖巖溶承壓水，水壓高，水量豐富，對采空區穩定性影響大。

經調查發現：榮發煤礦、苗李煤礦主要開采二1、一4煤層，走向54°左右，傾向324°左右，傾角2°～7°，厚度4.4～6.8m，受斷層影響，區內二1煤層底板標高-20～123m，煤層埋深20～230m，斷層北部煤層埋深較深，南部埋深較淺，二1煤層下距石炭系上統太原組灰巖6～8m，煤層頂底板主要為泥巖和砂質泥巖。煤礦采煤方法采用走向長壁式采煤法，全部垮落法頂板管理。裕興煤礦開采煤層為山西組二1煤層，煤層厚度4.24～6.60m，煤層傾角5°～12°，埋藏深度110～190m，煤層頂底板為砂質泥巖。采用一對立井開拓井田，柱式采煤方法，爆破落煤，人工裝運。外窯煤礦開采二1煤層，厚1.12～1.85m，埋深5.0～140.0m，煤層頂底板為砂巖和砂質泥巖。采用豎井開拓，走向長壁式采煤方法。

2 煤礦采空區分布及變形特征

經資料收集、地質調查與測繪、物探探測、工程鉆探驗證，該段高速公路沿線采空區分布見表1。其中影響互通立交的采空區為2003 年以前形成，其他主要路基下伏采空區形成最晚時間不遲于2010年。其中互通立交下伏采空區埋深在150～220m，主要路基段的采空區埋深主要在60～170m。

表1 采空區影響主線區段分布表

采空區專項勘察結果表明采空區深度50～220m，厚度0.7～5.0m，煤層較厚。采空區的充填情況一般，全部自然垮落，在煤礦開采期間曾經發生過明顯的地面塌陷，并造成地面裂縫。根據本次長達6個月的地表變形監測（見圖1、圖2），其中本測區水平位移最大累計位移量為8mm（移68 點），X方向5mm（向北偏移），Y方向3mm（向東偏移），平均沉降速率為0.05mm/d。目前沉降位移單點最大累計沉降量為8.73mm（沉317點），平均速率為0.07mm/d。

圖1 水平位移

圖2 垂直沉降

3 煤礦采空區對擬建公路工程危害程度的評價

3.1 評價標準

根據技術細則[2]進行場地等級劃分。首先依據工作面的停采時間初步確定采空區的穩定性，再結合場地剩余變形量的預計值，進行定量判定[3-4]，評價標準見表2。采空區上覆高速公路地基允許變形值規定如下：路基傾斜值i≤4.0mm/m,水平變形值ε≤3.0mm/m，曲率值K≤0.3mm/m2；橋梁簡支結構傾i≤3.0mm/m,水平變形值ε≤2.0mm/m ，曲率值K≤0.2mm/m2，非簡支結構傾斜i≤2.0mm/m,水平變形值ε≤1.0mm/m，曲率值K≤0.15mm/m2。

表2 采空區場地穩定性等級評價標準

3.2 地表變形預測計算

地表移動變形預計法是根據地質、采礦條件計算出采空區上方地表的移動變形值，按照公路工程允許的地表變形值，評價采空區場地穩定性和路基穩定性[3-4]。根據本段高速公路下伏煤礦礦層的地質條件及開采狀況，選用緩傾斜礦層（α＜15°）充分采動情況下非半無限地表移動與變形計算模式。

最大下沉量：

Wcm=Mqcosα

式中：q——下沉系數；

M——采厚。

最大傾斜量：

式中：r——地表主要影響范圍半徑，其值與埋深（H）成正比，與煤層影響角（β）的正切值成反比，及r=H/tanβ。

最大曲率值：

最大水平變形值：

最大水平移動值：

式中：b——水平移動系數。

上式中q的確定是關鍵，其取值與礦層傾角、開采方法和頂板管理方法均有關，國內這方面的研究不多，尚未形成系統資料，規范中根據采空區上覆巖層的軟硬程度給出了一個經驗范圍值，結合地區經驗下沉系數q取值為0.7，本次根據鉆探揭露地層情況，剩余孔隙率取值10%。

根據上述采空區地表殘余變形計算結果，對各煤礦采空區殘余沉降和變形進行預測計算，計算結果見表3。分析計算結果可知，在擬建工程張八橋互通立交匝道處采空區地表殘余變形下沉最大值為179.0mm，傾斜最大值為7.91mm/m、水平變形最大值為3.61mm/m、曲率最大值為0.114mm/m2。張八橋互通立交匝道處采空區預測殘余變形超過了采空區公路地基的允許變形值要求，綜合判定場地為欠穩定，其他路基段采空區為基本穩定。

表3 沿線各礦采空區地表剩余變形量計算表

4 采空區處治

焦唐高速公路下伏采空區埋深較大，且開采后發生了明顯的垮落，采空區充填程度一般，下部空間相對狹小，無法采用開挖回填、干砌或漿砌支撐及樁基等方案[5]。依據采空區特征、殘余變形量及擬建工程對變形控制要求等因素，綜合確定采用注漿處治方案。用人工的方法向采空區的冒落帶和裂隙帶壓注入具有充填、膠結性能的漿液材料，以便充填裂隙和空洞，并固結地基巖土體[6]。

根據采空區場地的穩定性評價結論及采空區公路的等級、工程結構與類型，結合殘余變形預測結果，確定有針對性的處治方案。張八橋互通立交采空區屬于欠穩定，建議采用注漿處治措施，橋梁宜采用簡支結構。路基段下伏采空區為基本穩定，雖局部地段地表變形量接近或略大于公路工程的允許變形值，但綜合考慮項目的工期要求及經濟可行性，不進行注漿處治，而采用對上部加鋪土工材料增加抗變形能力并強化防排水的綜合處治措施。

5 結論

（1）焦唐高速汝州至方城段下伏煤礦屬中小煤礦開采，煤層相對較厚，采空區上覆巖性及力學性質、礦層傾角、地質構造、礦層埋深、開采厚度等條件較復雜，采空區頂板管理方式、采深采厚比、終采時間等開采條件變化較大，地表存在非連續變形特征，局部采空效應明顯，應確定不同的處治措施。

（2）張八橋互通立交匝道處采空區處于欠穩定狀態，預測計算的采空區殘余變形量超過了公路地基的允許變形值要求，對其施工及安全運營潛在危害大，需要采取注漿處治措施。使得采空區恢復到接近原始巖體狀態，徹底消除采動后破碎巖體的移動變形空間，達到公路施工安全的目的。

（3）根據焦唐高速汝州至方城段公路路基段下伏采空區處于基本穩定狀態，通過采取簡易的抗變形設計即可保證公路的運營安全，采用在路基中加鋪土工格柵的方式以提高路基的抗變形能力，以規避潛在威脅。