某公路采空区地表变形特征及稳定性评价分析

魏见海，莫天健，滕金勇

(广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

公路采空区是一类非常特殊的岩土工程问题，工程建设一般应尽量避开采空区地段。近年来，随着公路建设的不断发展，部分公路工程无法避免要穿越采空区。而煤矿采空区容易导致上覆围岩变形失稳产生位移、开裂、破碎垮落，从而引起地表产生变形与破坏，对公路建设影响较大。因此，对公路采空区的变形特征及稳定性评价有着重要的意义。本文以某公路下伏采空区为例，通过采矿资料收集、地质调查、采矿调查、地球物理勘探、工程钻探等手段详细查明采空区的空间分布特征，并在此基础上对该公路下伏采空区进行稳定性评价。

1 采空区工程地质情况

该公路沿线经过3处采空区，分别为广西宜州金源煤业有限公司拉浪二号井、拉浪三号井以及拉浪六号井，2010年以来一直处于整改当中，未进行相关生产工作。其中线路K1+640～K2+743经过拉浪二号井；线路K0+445～K1+640经过拉浪三号井；线路K4+353～K5+555经过拉浪六号井，分别以路基形式通过，公路线路与采空区位置关系见图1。

图1 公路线路与采空区位置关系平面图

根据现场核实、走访当地村民、矿工等调查及巷道分布图，并结合现场钻探、物探等资料分析，场地岩层倾角约150°∠10°，整个矿区煤层总体倾向向东。矿井采用一对斜井开拓，采用倾斜长壁采煤法采煤，封孔前煤柱未进行回采。

(1)二号井：煤层厚度约1.5 m，标高125～147 m，线路K2+200～K2+743未开采，不存在采空区；线路K1+640～K2+200为采空区，巷道宽度约2 m，封孔前煤柱未进行回采。

(2)三号井：煤层厚度约2.5～2.9 m，高程147～175 m，线路K0+445～K0+800、K1+300～K1+550不存在采空区；线路K0+800～K1+300存在老煤窑开采的采空区，线路K1+550～K1+640为采空区，巷道宽度约2 m，封孔前煤柱未进行回采。

(3)六号井：煤层埋深标高140～170 m，线路K4+353～K5+555路段未开采，不存在采空区。

通过调查，该矿井开采深度较大，开采范围较窄，地表未产生移动盆地，地表无变形。

2 采空区地表移动变形特征

2.1 采空区垮落带、裂隙带高度计算

根据钻探及《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044-2014)附录A，该采空区覆岩破坏类型为三带型，覆岩破坏可分为垮落带、断裂带和弯曲带；当垮落带和断裂带未达到地表时，地表应为连续变形，当垮落带和断裂带能达到地表时，地表应为非连续变形。采空区垮落带、裂隙带的高度计算方法是：

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》附录L以及《采空区公路设计与施工技术细则》附录C，煤层倾角α<55°，煤层顶板为硬质岩、软质岩或其互层时，开采空间和垮落岩层本身的空间可由顶板的下沉或垮落岩石的碎胀填满，开采单一煤层时垮落带及裂隙带最大高度计算公式如下：

M——煤层厚度。

(1)二号井：根据收集及钻探资料，煤层埋深高程为125～147 m，线路设计高程为230～247 m，矿井开采平均深度H=102 m，煤层厚度M=1.5 m。

(2)三号井：根据收集及钻探资料，煤层埋深高程为147～175 m，线路设计高程为207～230 m，矿井开采平均深度H=57 m，煤层厚度2.5～2.9 m，取煤层平均厚度M=2.7 m，如表1所示。

根据表1计算结果可知，二号井(K1+640～K2+200段)采空区垮落带高度与裂隙带高度之和小于开采深度，地表变形破坏为连续变形破坏模式；三号井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空区垮落带高度与裂隙带高度之和大于开采深度，地表变形破坏为非连续变形破坏模式。

2.2 采空区地表移动变形计算

根据《采空区公路设计与施工技术细则》，公路采空区稳定性分析与评价可分为场地稳定性评价和公路工程地基稳定性评价两部分。场地稳定性评价应以采空区地表剩余下沉量作为评价依据，公路工程地基稳定性评价应以各类工程地基容许变形值作为评价依据。地表移动变形预计评价法计算过程如下：

本采空区地表移动无实测资料，并且H≤400 m，地表移动的延续时间可按T=2.5 h确定，即：二号井(K1+640～K2+200段)采空区地表移动的延续时间为255 d，三号井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空区地表移动的延续时间为143 d。拟建公路采空区停采时间为2010年6月停采，停采时间较长，远>255 d，地表变形处于衰退期阶段，取下沉率为0.95。

(1)地表剩余下沉量估算(见表2)

地表最大下沉值：

Wmax=mqcosα

式中：m——矿层厚度；

q——下沉系数，覆岩为石灰岩，岩石单轴饱和抗压标准值73 MPa，q取0.5；

α——煤层倾角。

(2)地表倾斜值、地表曲率及地表水平变形值的确定

根据《采空区公路设计与施工技术细则》，采空区场地地表倾斜值、地表曲率及地表水平变形值由下列公式确定。

式中：w——地表下沉值，主要为场地整平后的地表剩余移动变形值，即地表剩余下沉量；

r——采空区边界地表主要影响半径；

b——水平移动系数，取0.25；

H——采空区底板深度；

β——主要开采影响角(β取60°)。

各采空区的地表最大下沉量、地表倾斜值、曲率和水平变形值计算结果见表3。

综上所述，二号井(K1+640～K2+200段)采空区垮落带高度与裂隙带高度之和小于开采深度，地表变形破坏为连续变形破坏模式；三号井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空区垮落带高度与裂隙带高度之和大于开采深度，地表变形破坏为非连续变形破坏模式，停采时间较长，远>255 d，地表变形处于衰退期阶段。

3 采空区路基稳定性评价

3.1 定性评价

拟建公路采空区稳定性评价标准根据剩余下沉值、地表倾斜值、地表水平变形值及地表曲率值综合评价，评价标准见表4。

根据表3及表4综合判定，二号井(K1+640～K2+200段)及三号井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空区场地稳定性等级综合评价均为稳定。

3.2 定量评价

采空区场地稳定性评价方法可采用如下公式计算：

当H>H0时，路基不稳定；当H01.5H0时，路基稳定。计算结果见表5。

注：假定路基荷载为250 kN/m

从表5可以看出，二号井(K1+640～K2+200段)及三号井(K0+800～K1+300、K1+550～K1+640段)采空区场地稳定性等级综合评价均为稳定。路基工程可考虑加铺土工布、土工格栅等材料，提高路基的整体稳定性，路面设计可采用柔性材料，以满足采空区剩余变形量的要求。

4 结语

本文通过对某公路下伏采空区的工程实例进行研究，分析采空区的破坏类型，并对采空区的地表移动变形进行详细计算，预测采空区的地表剩余变形量，对该公路工程项目的稳定性进行评价，为相应公路设计与施工提供依据，对公路下伏采空区分析与评价具有一定的参考价值。