宜彝高速公路采空区变形计算及预测分析

段学军，崔桂阳

(中建路桥集团有限公司 石家庄市 050021)

随着我国经济建设的发展，从而使得交通事业蓬勃发展，公路网越来越密集，因此在进行高速公路规划设计时，不可避免地需要从一些采矿区通过，因此，采空区变形及其地基的稳定性成为制约工程建设的一个非常重要的因素。

采空区是指地下固体矿产(煤炭、金属矿等)开采后，上覆岩体失去支持而导致破坏，引起的应力重分布。采空区上部的岩体变形及移动会波及到地表，形成地表移动盆地。在采空区上部修建高速公路时，采空区上部岩体沉陷变形影响着路基的承载能力及稳定性。

宜宾至彝良高速公路通过地区系四川盆地向云贵高原过渡地带，在筠连段遇到多处采空区。由于采空区的存在，为路基稳定性及高速公路的运营提供了安全隐患，因此对采空区进行变形及稳定性预测是必需的。

1 项目概况及采空区特征

宜宾至彝良高速公路(四川境)是《四川省高速公路路网布局规划》(2011年调整方案)中新增的8条南北纵线之一。线路在K64+250～K67+800穿越二叠系上统龙潭组(P2l)(亦称宣威组(P2x))含煤地层。该组地层在筠连分区范围内，龙潭组二段为主要含煤段，共含煤9层，但仅位于该段下部的3、7、8号煤层可采，其中8号煤层可分为8-1、8-2、8-3三个相对独立的分层，本段可采及局部可采煤层均产自上段地层中。该段及其影响范围内，共分布23个废弃老窑及1个生产矿井。

区内浅部煤炭多被老窑开采殆尽，老窑开采规模不大，且采空区形成的时间久远，未诱发大的岩土体变形和地质灾害现象。由于煤层开采对岩土体和自然环境的破坏影响至今未做观测，资料缺乏，本次勘察结合《煤矿采空区专项地质调查》报告，调查系井上观测、访问和综合分析的方法进行调查。

调查期间项目区各煤矿均处于无限期停产整顿期间，故未进入井下调查。着重对区内仍存在生产的煤矿的回采面、岩煤巷和矿方掌握的部分采空区情况进行了详细了解。区内含煤地层多为泥岩、砂质泥岩。老顶、老底多为厚层状砂岩，层厚一般1～5m，少数7～20m。煤层开采净宽一般0.3～3.5m，顶、底板走向较为平直，倾角22～63°。在有坑木或局部填充物支撑的情况下，顶板悬空，出现较大面积的空腔，空腔长宽一般20～50m，少数达100余米(顺煤层倾向长度)，空腔内一般潮湿～干燥。区内采空区局部地段顶、底板泥岩厚度较大，岩体裂隙发育，采掘破坏较严重，岩体多产生剪切滑移和脱层冒落现象，顶板垮塌之后，松散岩块将空腔逐渐填满，此变形情况为区内采空变形的主要现象；另一种情况为顶底板较完整的软质岩，层理发育，煤层采空后，顶板在自重应力之下向采空底板缓慢变形，逐渐挤压闭合。采空区采动变形一般情况如图1。

图1 采空区采动变形示意图

2 采空区变形计算及预测

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009版)中5.5.3条规定对现采空区及未来采空区，应通过计算预测地表移动和变形的特征值。根据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03-2011)表4.2.2的要求，高速公路采空区地基容许变形值为：倾斜值i=4.0mm/m；水平变形值ε=3.0mm/m；曲率值K=0.3mm/m2。

K65+000～K67+800段(筠连县城以南青山井田)二叠系上统龙潭组(P2l)煤系地层，该段内老窑密集分布，且主采煤层层数多，厚度相对较大。

2.1 地表最大下沉值预测

(1)初采煤层

Wmax=M·q·cosα

式中：M—煤层真厚度(m)，见表1；

q—下沉系数(mm/m)；

α—煤层倾角(°)。

计算结果见表1。

表1 初采煤层最大下沉值计算一览表

注：1.煤层厚度值为介值中大值，倾角值为平均值；

2.煤层名称仅局限于老窑(生产矿井)单独定名，不为区内煤层统一定名

(2)复采煤层

Wmax复采=M·q复采·cosα

式中：M—煤层真厚度(m)，见表2；

q复采—复采下沉系数(mm/m)，取值为0.96，该值为q(1+a)，其中a为下沉活化系数，取0.20；

α—煤层倾角(°)。

2.2 地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形预测

表2 复采煤层最大下沉值计算一览表

注：1.煤层厚度值为介值中大值，倾角值为平均值；

2.煤层名称仅局限于老窑(生产矿井)单独定名，不为区内煤层统一定名

(1)初采地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形预测

最大倾斜值：imax=Wmax/r (mm/m)

最大曲率值：kmax=1.52Wmax/r2(mm/m2)

最大水平移动值：umax=b·Wmax(mm)

最大水平变形值：εmax=1.52Wmax/r (mm/m)

式中：r—地面影响半径(m)，为H/tanβ；

H—开采深度(m)；

b—水平移动系数，根据上覆岩性取值，为0.30×(1+0.0086a)；

tanβ—主要影响角正切，为(D-0.0032H)(1+0.0038a)。

计算结果见表3。

表3 初采煤层地表移动和变形计算一览表

注：1.煤层厚度值为介值中大值，倾角值为平均值；

2.煤层名称仅局限于老窑(生产矿井)单独定名，不为区内煤层统一定名

(2)复采地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形预测

最大倾斜值：imax复采=Wmax复采/r复采(mm/m)

最大曲率值：kmax复采=1.52Wmax复采/r复采2(mm/m2)

最大水平移动值：umax复采=b·Wmax复采(mm)

最大水平变形值：εmax复采=1.52Wmax复采/r复采(mm/m)

式中：r复采—地面影响半径(m)，为H/tanβ复采；

H—开采深度(m)；

b—水平移动系数，根据上覆岩性取值，为0.30×(1+0.0086a)；

tanβ复采—主要影响角正切，为tanβ+0.06236lnH-0.017。

计算结果见表4。

表4 复采煤层地表移动和变形计算一览表

注：1.煤层厚度值为介值中大值，倾角值为平均值；

2.煤层名称仅局限于老窑(生产矿井)单独定名，不为区内煤层统一定名

通过上述预测计算，采空区段落内的最大变形值分别为：倾斜i=0.0064～0.0215mm/m；曲率K=0.00013675～0.00048258mm/m2；水平变形ε=0.0098～0.0326mm/m。计算结果均未超过规范规定的限值，采空区对地表建筑物造成的损坏等级为Ⅰ级，即极轻微损坏或轻微损坏。

3 采空区路基及其处治原则

测区二叠系上统龙潭组(P2l)含有煤层，该地层含煤10余层，可采煤层6层，可采煤层平均厚7.08m，可采含煤系数4.92%。路线附近有国有和私有采矿井(窑)，还有以前的废矿井(窑)，若路线通过处顶板厚度不够，有可能发生塌陷。采空区对路线有影响主要为K64+250～K67+800段，该段为小型煤矿采空区集中地段。

对于采空区路段，路线布设时应尽量避绕。当无法绕避时，采空区治理应根据工程特点及处治目的，并充分考虑采空区地质条件、煤矿开采方式、现场施工条件等各方面影响因素，选择经济合理的处治方法。

(1)对于采空区覆岩发生较严重的垮塌的地段，采用注浆处理措施。

(2)对于顶板完整性差，岩体强度低，易开挖，埋深小于6m采空区，采用开挖回填法。对于周围无任何建筑物，埋深6～20m的采空区，可采用爆破采空区顶板，回填后采用强夯或重锤夯实；采用爆破受限的路段，则采用桥梁型式跨越。

(3)对上覆岩土体强度很低，埋深大于20m的采空区，采用桥梁型式跨越。

4 结论

通过对宜彝高速公路采空区变形计算及预测等分析，计算结果均未超过规范规定的限值，采空区对地表建筑物造成的损坏等级为Ⅰ级，即极轻微损坏或轻微损坏。但仍应按照其采空区埋置深度、岩层条件采取相应的治理措施。