煤矿工作面开采对国道的采动影响分析及保护措施研究

连跃东 李 悦

（1.山西大平煤业有限公司，山西 长治 046200；2.中煤科工生态环境科技有限公司，天津 300456）

公路是国民经济的基础设施，是交通系统的重要组成部分，在社会经济发展中具有重要的地位和作用[1]。山西大平煤业正在进行3112 工作面的采煤工作，该工作面正上方有G208 国道由西北向东跨过采区。由于该通行路段属于城乡主要交通路段，是矿方采煤运输的唯一路线，煤矿开采工作不可避免地对上方地表造成影响，地表下沉引起的倾斜和水平变形也必然会对路面造成破坏，影响正常通行。所以分析G208 国道受到的采动影响以及研究如何在煤矿正常开采的情况下保护道路畅通，保证G208 国道的正常通行，是非常有必要的[2-3]。

1 工作面的地质采矿条件及国道情况

大平煤矿为山西煤炭进出口集团和个人联合持股煤炭开采企业，年生产能力120 万t，主采二叠系下统3#煤层。其中3112 工作面宽度191 m，推进长度1100 m，地表较为平坦，平均标高+887 m，底板标高为+550～+670 m。工作面上方区域第四系厚约13～20 m，区域3#煤层厚度为5.8～6.2 m，倾角约3°～13°，其中靠近工作面东部区域倾角较小，采用了长壁后退式综采放顶煤一次采全高开采工艺，采用全部垮落法管理顶板，已累计开采约410 m。

G208 国道与工作面位置关系如图1。公路从工作面的西北方向进入工作面上方，自西向东穿过采煤区，采煤区内公路线长约650 m。

图1 3112 工作面和G208 国道相对位置图

2 工作面开采沉陷变形预计

3112 工作面正在开采区域正在G208 国道下方，随着工作面推进，公路持续受到沉陷变形的影响。预计沉陷变形时，先要考虑正在开采过程中发生的沉陷变形影响，也要考虑后续的残余变形对公路造成的影响。

地表沉陷变形计算采用我国常用的概率积分法[4]，计算参数选取主要依据该矿区的地表移动参数，同时充分考虑井下工作面开采的地质采矿条件。选取的计算参数有下沉系数q取值0.8，水平移动系数b取值0.3，主要影响角正切tgβ取值2.3，开采影响传播系数k取值0.6，拐点偏移距s/H取值0.06。经过计算，求得G208 国道因3112 工作面开采的地表下沉等值线图如图2。

图2 国道208 受3112 工作面开采影响下沉等值线图

根据3112 开采沉陷预计，公路G208 受工作面开采影响段长约890 m（下沉值超过100 mm），其他路段几乎不会受到沉陷变形的影响。以G208 国道受影响路段外20 m 处开始由东向西的公路为横轴，每一点的下沉值为纵轴，绘制受开采影响范围内的G208 路段的下沉曲线图如图3。

根据下沉曲线图所示，受影响区间路段下沉值将达到0.1～4.8 m，东西两侧的下沉值较小，由东西两侧向中间下沉值持续增大。整个受影响路段中，工作面正上方600 m 的路段，下沉达到了3 m 以上，属于受到最严重的沉陷破坏影响，以及同时受到倾斜变形和水平移动变形影响，路面破坏情况比较明显。其他部分由于下沉值不大，受到的沉陷破坏影响相对较轻，路面的损坏程度不太明显。通过开采沉陷变形预计的研究，可以划分受灾路面的严重程度，结合现场的实际情况，可以分段采取不同的处理方法，保证道路的正常通行。

3 分析道路路基稳定性

工作面开采过程中，会在岩层形成采空区，导致岩体发生移动变形和破坏，形成垮落裂缝带。道路的荷载对地表下方有一定的影响距离，垮落裂缝带的发育影响到道路的荷载距离时，会对路基造成重大的移动变形灾害[5]。

G208 公路的荷载包括路基的静态荷载和道路上方行驶车辆所造成的动态荷载两部分。考虑G208的路基现况，静态荷载的影响程度有限，最大3 m；动态荷载部分属于车辆长期循环的一种荷载，其影响程度和路基高度是减线性函数关系，和车辆荷载是抛物线增函数关系。G208 道路上的车辆多数为30～50 t 的大型货车，小部分为家用轿车，考虑货车有超载（3倍超载）的情况，综合静态荷载和动态荷载，G208 的公路荷载影响深度约为地表下9～17 m。

采空区造成的垮落裂缝带的发育高度需要考虑开采煤层的相关数据，选取煤层厚度6 m，煤层倾角7°，最小采深191 m，覆岩多为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，所以岩性中硬偏硬，计算公式如下[6]：

式中：∑M为煤层的累计采厚，m。

经过计算，3112 工作面采空区垮落裂缝带的最大发育程度约为74.1 m，考虑公路下最小采深为191 m，下沉影响最大4.8 m，垮落裂缝带距离公路路基下地表距离约为111 m。国道G208 的最大荷载影响深度为17 m，所以3112 的开采不会影响到国道G208 的路基稳定性，不会造成大面积沉陷灾害，道路受到的沉陷破坏程度在一定的范围内，道路在采用保护措施后能够正常通行。

4 道路的现状

G208 路面多处路段出现宽5～20 mm 的东西向裂缝，且部分裂缝由于车辆碾压已破损加重，裂缝破损处变为小型的破坏坑；部分路段出现明显下沉，道路出现上下坡，起伏不定；严重地段受地表剧烈压缩和拉伸变形作用，中间路段路面发生错断和鼓起，影响车辆正常行驶；道路整体向南侧偏斜，路基形成小的滑坡；东西两侧路段受开采影响程度相对较小，中部路段受破坏影响相对严重和集中。

根据前面对工作面开采沉陷的研究和路基稳定性的分析，G208 国道虽然穿过3112 工作面，受到比较明显采煤沉陷破坏，影响了车辆的正常行驶，采取行之有效的方法处理后，还是可以保证国道G208在3112开采活动进行的同时正常、安全的使用。

5 道路的采动保护措施

3112 工作面采动产生的地表沉降变形，必然对G208 国道安全行车产生影响，保证采动影响破坏后的路面结构完好、路面变形处于允许范围内，保证公路安全、正常运行，需采取以下保护措施。

1）在国道G208 受影响段路面两侧设立警示牌，提醒行驶车辆减速慢行，注意地面裂缝和隆起，防止车速过快引发的翻车、撞车等危害；部分路段可以改为单车道行驶，以便处理路面损坏情况。

2）对于国道G208 路面出现的开裂、破损，采取填缝补强铺平的方法处理；对于路面出现的凸起、鼓包采用凿除后重新补平并且铺设新的沥青混凝土路面的方法处理；路面倾斜明显的路段采取垫高路基或者路面、恢复倾斜的方法。为了保证公路的安全运营，对于路面的状况要实时掌握，建立观测站定期进行沉陷变形监测和定期的路面巡视，及时修复路面，不影响车辆的正常行驶。

3）由于地表沉陷破坏严重，路面破坏程度已不是简单修复方法可以处理的时候，要及时封锁相关路段，挖出破坏严重的路面，重新对路基进行加固。新路面可采用改性沥青技术，或者采用设置变形缝的水泥混凝土路面结构，铺设与地表变形方向一致的钢筋骨架，根据地表残余变形大小确定变形缝的路面板块尺寸[7]，以提高道路的耐变形强度。

4）加强对采空区及道路下方的断裂结构的探测，必要时可采用明挖回填、对离层弯曲带进行注浆的办法来缓减地表下沉量[8]，提升公路的抗变形能力；也可采用堆载预压法、高能强夯法和水诱导沉降法等释放老采空区的沉降潜力，加速老采空区活化和覆岩沉降过程，消除对地表有安全隐患的地下空洞，保证公路更快的恢复通行。

5）桥涵均采取钢筋砼框架箱涵结构，并依据地表残余变化以及道路回填的高度与宽度，适当增大涵洞的直径；提高箱涵的壁厚、配筋和水泥标号；使用高强度盖板或增强的支座，以增强其承重；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

6）采动影响沉降变形趋于稳定后，依然要加强路基路面的定期巡视和监测，及时清理排水沟渠，保证公路养护工作的及时到位，防止残余变形妨碍道路的正常通行。

6 结论

结合3112 煤矿区域地质采矿条件，针对煤层开采的情况，首先对3112 进行开采沉陷变形预计，划分G208 国道受到开采损害范围和程度区间；其次通过开采沉陷变形结合道路受到的荷载情况分析得出G208 国道路基不会受到采煤开采破坏，确保了公路不会遭到重大的地灾损坏；最后结合现场的实际破坏现状，针对公路可能出现的塌陷、开裂、倾斜和部分结构断裂，采取针对性保护措施，保证公路在工作面正常开采下的安全通行。