金仁桐高速公路采空区地质选线研究

金 鑫 敬兴东 李金翔

(1.中国铁建昆仑投资集团有限公司 成都 610041；2.中铁十七局集团有限公司 太原 030006；3. 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001)

贵州省是西南地区煤炭生产主力省份，煤炭资源分布较广，含煤面积约7万平方公里，占全省土地面积40%以上。公路工程作为线性工程，由于空间跨度大，决定了其不可避免地要穿越煤矿区域，主要涉及矿产压覆及煤矿采空区问题，公路通过煤矿采空区易产生路基下沉、桥梁变形、隧道变形及瓦斯突出等工程问题，且后期维护修复难度极大，因此，煤矿采空区问题已成为制约我省公路建设的技术瓶颈，采空区研究对于高速公路的合理选线至关重要[1]。

金沙经仁怀至桐梓高速公路是贵州省高速加密规划网中12条强化路网衔接的高速公路之一，主线长105.167km。沿线通过的煤矿主要有泮水煤矿、云安煤矿、鼎兴煤矿及桑树湾煤矿，其中云安及鼎兴煤矿分别在2004-2013年间开采期间形成一定规模的采空区。本文介绍了金仁桐高速公路穿越云安、鼎兴煤矿路段地质选线，通过前期勘察和线路比较，拟选定A21线和K线两条同精度比较线路。公路选线与云安煤矿和鼎兴煤矿位置关系如图1所示。

图1 公路选线K&A21方案示意图

1 矿山概况

云安煤矿和鼎兴煤矿地处贵州省仁怀市，两煤矿于2004年3月开始正式开采，并分别于2013年3月、2012年2月正式停采，两煤矿后续将进一步整合。

1.1 地形地貌

云安、鼎兴煤矿井田位于云贵高原之东北端，其中云安煤矿区内以高山及溶蚀坡地为主，矿区最高点标高为+1250.1m，最低点标高为+700.1m，相对高差为550m；鼎兴煤矿区内以侵蚀盆地为主，区内最高海拔为+1265.5m，最低侵蚀基准面海拔约为+672.0m，相对高差593.5m。

1.2 矿区地质

出露地层自老至新有：二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、二叠系上统龙潭组(P2l)砂页岩、二叠系上统长兴组(P2c)灰岩、三叠系下统夜郎组(T1y)泥(灰)岩及第四系(Q)。两煤矿各煤层顶板均为粉砂岩、细砂岩、泥岩，抗拉强度低，底板多为泥岩，遇水易膨胀，产生底鼓现象。矿山在开采过程中，随着采空区增大，围岩会出现应力集中现象，井下可能会出现冒顶、片帮。

矿区地质构造属简单型。云安煤矿矿井位于长岗向斜南东翼，总体呈单斜构造，区内地层倾向340°～10°，倾角38°～48°，平均46°。鼎兴煤矿矿区位于长岗向斜南翼，总体呈单斜构造，区内地层倾向大致为7°～10°，倾角40°～49°，一般43°左右，东陡西缓。区内断层、次级褶皱不发育。

1.3 煤层特征

云安、鼎兴煤矿矿区煤系属于上二叠统龙潭组，层厚70～80m，平均74m。区内含煤9～13层，平均总厚8.0m，含煤系数7.22%，全区可采煤层C5、C7、C12，平均总厚11.1m，其可采含煤系数为12.3%。C10煤层局部可采，其余数层为不可采煤层。

1.4 矿山开拓和采煤方法

云安煤矿的开拓方式为平硐+斜井开拓，主要布置有主平硐、回风斜井两个硐口；鼎兴煤矿开拓方式为平硐开拓，主要布置有主平硐、回风平硐两个硐口。云安、鼎兴煤矿均采用走向长壁后退式采煤法，陷落法管理顶板。

2 采空区公路地质选线的原则

采空区公路选线过程中要考虑社会、自然等多重因素影响，妥善协调好不同矛盾、需求[2-4]。路线方案也是控制工程投资的关键，本着“安全、经济、地质选线、有利于环境保护、符合地方规划”的原则，对可能的路线方案进行全方位比选，选择最优的路线方案，公路地质选线需遵循以下原则：

(1)选线应广泛搜集与路线方案有关的规划、计划和统计资料，相关部门的各种地形、地质、采矿、气象等资料，并深入现场对采空区进行专项调查与勘探，以避免遗漏有价值的路线方案。

(2)路线宜绕避开采密集、年代较早、不易查明或工程处治困难的大型、重要矿区或规划矿区，应避开地下采空加剧或引发斜坡失稳、山体开裂、崩塌滑坡和地表沉陷等地质灾害发育的危险区域。

(3)路线宜绕避人为坑洞分布密集的地带，当必须通过人为坑洞路段时，宜绕避采空区地表变形活跃、移动盆地边缘地带、急倾斜矿层露头与开采区域。

(4)当绕避有困难时，应在开展专项勘察的基础上，尽可能选择矿层薄、埋深大、倾角缓和垂直于矿层走向等的有利部位，对采空区进行必要的处理后通过。

(5)路线宜设在充分采动或接近充分采动的采空区地表移动盆地中部平底部分和勘察定性为基本稳定～稳定区域；宜大角度穿越沉陷盆地。

(6)对正在开采或批准计划开采的矿区，应对矿区的开采状况进行调查，了解矿区规划。为避免压矿，路线应尽可能绕避，必须通过时，应与有关部门协商，采取措施后从安全地带通过[5]。

3 采空区及同精度路线方案基本情况

3.1 采空区基本情况

(1)浅层采空区：两煤矿采煤历史悠久，井田范围内小煤窑开采时间长达20年以上，一般以独眼井的形式开采，主要开采C5、C7、C12煤层浅部，但开采规模一般较小，开采斜长约为50～100m，开采深度小于50m。A21线路通过地段地表未见塌陷区及垮塌，且浅层采空区距拟建桥梁较远，对拟建桥梁无影响。

(2)深层采空区：线路ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段云安煤矿深层采空区。YK15+470～YK15+570右77～105m为鼎兴煤矿深层采空区。根据矿山提供图纸及现场访谈，拟建高速公路云安煤矿段+745m～+850m标高范围C5、C7煤层已基本采完，鼎兴煤矿段矿区工业广场保安煤柱东翼+750m～+870m标高范围C5、C7、C12煤层已基本采完，矿区工业广场保安煤柱西翼+750m～+870m标高范围C5、C7煤层已基本采完，两煤矿回采率均达到80%以上，并在井下形成了一定规模的采空区。

云安煤矿矿井绝对瓦斯涌出量为5.52m3/min，相对瓦斯涌出量为29.55m3/t，绝对二氧化碳涌出量为1.04m3/min，相对二氧化碳涌出量为5.57m3/t，云安煤矿为高瓦斯矿井，煤尘无爆炸性，煤层自然发火等级为三类。通过收集资料及瓦斯测试综合分析，隧道穿煤段瓦斯含量高、瓦斯压力大(0.77MPa)，存在煤与瓦斯突出危险性。因此隧道应按高瓦斯、煤与瓦斯突出隧道设计。

3.2 同精度路线方案基本情况

根据该段路线方案的总体优化设计，在路线上走廊带基本确定的情况下，结合沿线地质条件、地形地物和矿区规划考虑，对A21和K线2个同精度路线方案进行比选分析。高速公路两线路与煤矿采空区空间位置关系如图2所示。

图2 线路平面空间位置关系图

A21线由寒婆岭特长隧道进口前K8+000引出，寒婆岭隧道长7205m，出隧道至打丘娅，进入仁怀境，路线在打丘娅设打丘娅大桥(3×40+66+2×120+66+5×40)，打丘娅隧道长555m，出隧道后设大坝田特大桥。ZK15+457～ZK15+891(YK15+467～YK15+901)通过仁怀市五马镇云安煤矿，ZK15+526～ZK15+802段经过云安煤矿工业广场保护煤柱。打丘娅特大桥线路桥型方案设计主要考虑能跨越凹型沟谷的连续刚构方案，位于矿界范围内长度约为434m，线路距云安煤矿+745m主运输巷道垂直距离为40～60m。煤矿深层采空区位于线路两侧，左侧深层采空区距线路边缘110m，右侧距线路边缘185m。

K线ZK15+255～ZK15+742(YK15+314～YK15+735)通过仁怀市五马镇云安煤矿，线路ZK15+002～ZK15+371段为煤系地层出露段，线路以寒婆岭隧道通过，其中ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段通过云安煤矿东深层采空区及鼎兴煤矿西深层采空区。两同精度比较线在煤系地层段水平距离约900m。

4 采空区稳定性评价研究

4.1 浅层采空区稳定性评价

针对矿区浅层采空区，可根据《采空区公路设计与施工技术细则》，采用极限平衡法计算维持顶板稳定的临界深度Hcr，计算公式如下：

(1)

式中：B——采空区宽度(m)；

p0——公路路基基底压力，包括行车载荷及路基、路面荷载(kPa)，根据《公路工程技术标准》，行车载荷取550kPa；

γ——上覆岩层加权平均重度(kN/m3)，取27kN/m3；

φ——上覆岩层加权内摩擦角(°)，综合取35°；

μ——上覆岩层加权平均泊松比，综合取0.3。

对比采空区的实际埋藏深度及临界深度，可求得采空区顶板的稳定系数Fs：

式中：H——采空区顶板的实际深度(m)；

Hcr——采空区顶板的临界深度(m)；

计算求得采空区顶板临界深度为16.8m，当采空区埋深小于16.8m时，采空区场地处于不稳定状态；当采空区埋深大于等于16.8m且小于25.2m时，采空区场地处于欠稳定状态；当采空区埋深大于等于25.2m且小于33.6m时，采空区场地处于基本稳定状态；当采空区埋深大于等于33.6m时采空区场地处于稳定状态。综上，在采空区埋深小于33.6m时采空区易于处理，对高速公路线位选择影响不大。

4.2 深层采空区稳定性评价

由于云安煤矿、鼎兴煤矿于2013年、2012年相继停产，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，终采时间大于730d的采空区可基本认定采空区顶板已完全垮落，稳定性较好。因此，需要对矿界范围内A21线地表及K线隧道底板受深部采空区产生的剩余变形进行分析。本次分析采用了三维建模软件及三维有限差分数值模拟软件Flac3D数值模拟计算，通过Mohr-Coulomb本构模型准确反映出各地层及矿山相关工程和采空区之间的相对位置关系，并通过数值模拟计算的手段分析矿山采空区对高速公路相关工程的影响[6]。

4.2.1 K线寒婆岭隧道

通过倾斜变形等值线图可以看出，云安煤矿矿界范围内隧道底板倾斜变形值为0.1～1.1mm/m之间(图3)，曲率值小于0.1mm/m2(图4)，均小于容许变形值。X方向水平变形值在1.15～1.5mm/m(图5)，未超过规程容许值，但K15+600附近隧道底板Y方向水平变形达到2.0～3.5mm/m(图6)，超过规程容许值。

图3 K线倾斜变形等值线图

图4 K线曲率等值线图

图5 K线X方向水平变形

图6 K线Y方向水平变形

4.2.2 A21线打丘娅特大桥

通过倾斜、曲率变形等值线图可以得出，云安煤矿矿界范围内A21线全路段倾斜变形值均小于0.1mm/m(图7)，曲率均小于0.004mm/m2(图8)，均未超过规程容许变形值。通过X、Y方向水平变形等值线图可以看出，云安煤矿矿界范围内A21线全路段X方向水平变形小于0.2mm/m(图9)，Y方向水平变形值在0.3～0.4mm/m之间(图10)，均小于规程容许值。

图7 A21线倾斜变形等值线图

图8 A21线曲率等值线图

图9 A21线X方向水平变形

图10 A21线Y方向水平变形

综上，对浅层采空区而言，当民采小煤窑及巷道式采空区埋深小于25.2m时有发生垮冒的可能性并可能会对地表相关工程产生重大影响；由对深层采空区的计算结果分析可知，K线寒婆岭隧道下伏采空区垮落引起的隧道底板剩余变形超出规程容许高速公路地基容许变形上限值，对隧道稳定性影响较大；A21线打丘娅特大桥从煤矿工业广场保安煤柱上方通过，且距采空区较远，受采空区覆岩移动变形较小且其倾斜、曲率及水平变形均未超出规程容许范围。

5 高速公路选线综合对比分析

(1)K线。由于K线寒婆岭隧道距云安、鼎兴煤矿C5、C7煤层采空区距离较近，煤层开采后形成的采空区剩余变形会对ZK15+520～ZK15+730段隧道底板产生较大水平变形影响，在未对隧道下方采空区进行处治的情况下对隧道进行施工，可能会在施工过程及隧道今后的运行过程中出现隧道顶、底板及侧帮变形、开裂等现象，对隧道的整体安全性造成较大不良影响，需进行处治。

(2)A21线。打丘娅特大桥整体从云安煤矿保安矿柱上方经过，距采空区较远，且桥梁地表受采空区剩余变形影响较小，A21ZK15+321～A21ZK+396路段地表处经现场勘查存在溶蚀拉沟裂谷及松动岩块体，且A21ZK15+465～A21ZK15+517路段下伏云安煤矿+745m运输及回风大巷与地表垂距约为40m，不良地质条件与煤矿运输平巷可能对桥梁桩基的稳定性产生一定的影响，故需在高速公路周边合理划定禁采范围，并对云安煤矿主平硐进行封堵处理，禁止在高速公路禁采范围内从事包括行人、采矿等一切人为活动。

综上，K线寒婆岭隧道由于从采空区正上方通过，且距采空区距离较近，受采空区覆岩剩余移动变形影响显著，ZK15+520～ZK15+730路段的水平变形值仍超过规程容许变形值，A21线地表控制性工程受采空区影响较小，且全路段的水平变形、倾斜变形、曲率均小于容许变形值，安全性及稳定性较K线好，故推荐A21线。

6 结语

在查明采空区范围及地质条件等基础上，分析评价采空区剩余变形对拟建公路的影响及工程处治难度是本项目采空区地质选线的关键。另外，对于规划采矿范围应划定禁采区和留设保护煤柱，可防止在施工及运营阶段二次采煤危及高速公路安全。