1、下广公路采空区稳定性分析及评价摘要：在论述省道下广公路下伏蔚西煤矿采空区地质，采煤和工程地质特征的基础上，采用数值模拟定性与定量分析、评价采空区的稳定性。研究表明：该采空区的变形尚未完成，对该公路在原址改扩建将产生很大危害，必须采取相应的工程治理措施。 关键词：公路；采空区；稳定性；分析评价 中图分类号：X734 文章标识码：A 文章编号： 1、前言 在冀晋蒙地区修建高等级公路时，常会遇到煤矿采空区。采空区指地下矿床开采后遗留下的空间，当回采完毕后顶板在重力作用下冒落，而冒落带充满回采空间则是缓慢过程。特别是老采空区上覆岩层由于经历了剧烈、复杂的移动和变形，其地表必将发生明显变化。因此评价采空
2、区地表稳定性, 采用合理的工程措施, 是实际工作中必须解决的问题。本文就下广公路下伏蔚西煤矿采空区为例, 论述其采空区地质、采煤及工程地质特征，通过定性与定量方法，分析与评价该煤矿采空区的稳定性和安全性，为今后公路建设预防和防治类似地质灾害提供有益的借鉴。2、蔚西煤矿采空区工程地质概述 蔚西煤矿采空区位于下广公路 K125+180K125+660 路段（影响路线长度 480m） ，拟改建公路设计高程高于地面标高 1.5m 左右。 该矿位于大煤田西南部边缘，煤炭储量相对较小，含煤地层为下侏罗系下花园组，并不整合于下伏老地层之上，为一套河流湖泊泥炭沼泽相沉积，上部为钙质页岩、含砾粗砂岩；中部以砂岩
3、、砂质泥岩为主（并含层煤） ，其沉积旋迥、韵律重复出现；下部为灰黑色泥岩、灰色砂岩、紫红色泥岩。该矿井缺失 1#和 3#煤层，2#煤层不稳定且成煤薄（厚度 0.30.6m） ，4#煤层极不稳定并与碳质泥岩呈互层状，该层基本未开采；5#煤层稳定并普遍沉积，为单斜构造，煤层厚度 3.35.1m，为矿井主要可采煤层。 开采煤层深度 55183m,煤层伪顶为 0.5m 炭质泥岩，直接顶为 3m 砂质泥岩, 覆岩以泥岩、砂岩互层为主。底板为中粗砂岩。地层倾向 300、倾角 15。拟改建公路走向与地层倾向近平行。矿井地质剖面见图 1。 该矿于 1997 年建井投产，年生产能力 3.5 万吨，2006 年因
4、采空区塌陷导致原公路坍塌而闭井停采。该矿开采方式为长壁式、炮采，回采率约 58%左右，顶板采用木棚架支护（管理方式简易） ，回采后辙出。矿井开拓方式为斜井开采，即先打主、副井到 5#煤层底板，互相贯通，再沿煤层走向的一侧或两侧采掘巷道，然后沿煤层倾向布置回采工作面（回采工作面 6080m2，煤柱宽 4m 左右） 。 勘察结果表明：采空区大部分已冒落，冒落带高度在 5.035.5m，裂隙带在采空区冒落带上方至地表。由于顶板部分冒落，采空区塌陷物堆积厚度约 3.04.0m，实际未充填(累计)高度约 0.63.3m。地表裂缝与公路轴线斜交或平行，裂缝最大宽 0.7m，延伸大于 110m。地表沉陷最大
5、深度约 0.85m 左右。 自地表向下，该采空区上覆岩土大体为：Q3+4al+pl 砂质粉土砂砾亚粘土及粘土（含水量较差、中密结构） ，占上覆岩厚度的 10%左右。J1-2X 砂岩、泥岩、泥质砂岩, 层状结构，岩芯呈碎块、短柱状，占上覆岩厚度的 90%。这种覆岩结构导致了采空区至今还未完全塌陷冒落。另外，由于该矿（为小矿井）开采预留煤柱相对较多的缘故，从钻探资料分析，裂隙带发育至地表；而冒落带在断裂发育的同时向上逐渐减弱。裂隙发育情况直接关系覆盖岩工程地质稳定性，一方面裂隙是导水通道，另一方面加快了基岩的风化速度，从而不断降低岩石的强度。 3、采空区稳定性分析及评价 矿山开采沉陷学及国内外采矿
6、经验认为，采深与采厚比大于 30时，在地层中没有较大地质破坏情况下，煤层采出一定面积后，会引起覆岩层的移动并波及到地表，其地表沉降和变形在空间和时间上都有明显的连续特征和一定的分布规律，常表现为地表移动盆地；在采深与采厚比小于 30 的情况下，其地表沉陷和变形在空间和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，采空区上方的地表常形成较大裂缝或塌陷坑。该采空区属山区小煤窑开采形成，与大矿开采有明显的区别，属于非充分采动下的缓慢变形，其覆盖岩厚度均小于使地面产生差异沉陷的安全深度(200m)；其采深与采厚比值上述两种情况均有，且原公路在此已出现开裂和沉陷，如果在此改建公路将会带来重大危害。 根据矿山
7、开采沉陷学理论，可通过预计法、预测采空区将会产生的地表移动和变形特征。按最不利状态下考虑（即充分开采条件下）计算如下: 最大下沉量 Wmax =Mcos 式中 为下沉系数（与煤层倾角、开采方法和顶板等有关）取值0.5，M 为采厚。 则: Wmax=0.5x4.20xcos15=2028(mm)。 最大倾斜量 Tmax = Wmax/r = Wmax/(H/tg) 式中 r 为地表影响半径，其值与埋深(H)成正比，与煤层影响角()的正切值成反比， 即 r=H/tg 则：Tmax =2028/(55-183)/tg67=86.87-26.11(mm/m)。 最大曲率值 Kmax=1.52Wmax/
8、r2 则：Kmax=(5.66-0.51)(mm/m2)。 最大水平变形值 max=1.52bWmax/r , 式中 b 为水平移动系数，取值 0.25。 则:max=(33.01-9.92)(mm/m)。 以上计算结果为最终沉降量。当采空区形成一定时间后，地表沉降量大小随时间推移而逐渐减小，若公路在修建前采空区已形成若干年，其剩余变形量起着主要控制作用。一般情况下，煤层开采 5a 后，剩余变形量仅为总变形量的 5%左右；则: 剩余下沉量为 101.4cm，剩余倾斜量4.341.31mm/m，剩余曲率 0.280.03mm/m2，剩余水平变形值1.650.50mm/m。根据采空区公路设计与施工
9、技术细则JTG/T D31-03-2011 要求,该路段采空区地表剩余容许变形值应满足一下规定值: 下沉值100mm、倾斜值3.0mm/m、曲率值0.2mm/m2、水平变形值2.0mm/m。通过上述计算，该采空区的剩余变形量不能满足公路工程要求。 通过现场调查与预计法预测分析，蔚西煤矿采空区的地面沉陷变形尚未完成，其未来变形对拟改建公路危害极大，为确保公路安全、稳定运行，必须对该采空区进行治理。按采矿学公式计算：路线纵向 300m、横向 219m，均需治理。 4、数值模拟分析与研究 按有限元分析建立模型、采用德鲁克准则。计算模型以公路中线建立断面（长度 165m，高度 110185m） ，根据
10、地质、采煤资料，建立简化的结构模型。在确定各类岩性参数时，将岩土体按工程类别的相似性，分成若干工程地质岩组来作为有限元分析中的材料类型。材料类型简化为 6 种，并根据试验和工程地质类比确定其主要力学参数。计算断面共划分为 2610 个单元、2720 个节点。模拟过程分为 6 步，分别为初始应力场形成、公路改建前煤层的开挖和公路拟建后采空区稳定性模拟。 当采空区上方修建公路（或公路建成运营中）时，在上覆压力和地下水等因素等作用下，该采空区内的煤柱和开采区两侧的煤层软化、失去强度，导致上覆岩体进一步塌陷、冒落，从而使地表产生新的沉降。基于上述原因，在数值模拟计算过程中，按最不利的条件考虑，即该煤柱
11、和开采区两侧的煤层完全失去强度, 故将煤柱和回采区两侧的煤层单元按开挖单元考虑（全部挖出） 。 模拟计算表明：煤层被采动后，随开采范围越大，塌落、沉陷形成的破裂岩愈多，形成的应力拱愈大。当公路修建后，该采空区在风化、地下水、上覆荷载等因素作用下，煤柱和回采区域两端煤层失去强度，产生破坏，直接引起废弃老采空区的活化，使得上述的应力拱越来越大，其结果为覆岩的坍塌一直发展到地表形成塌陷坑。如在该采空区上方改建公路，公路路基将会随着采空区的塌陷而产生变形破坏。从图 2 中可以明显看出：采空区部位的路基在水平和垂直方向分别受到-0.2MPa 和-0.5MPa 挤压应力，在剪切方向受到 0.2MPa 应力
12、, 在此应力状态下，路基必将会产生破坏。从图 3 中可以明显看出：在公路建成后，老采空区的覆岩将进一步塌陷、冒落，垂直方向上最大位移量在-0.22-0.3m 之间，水平位移量在 0.10-0.15m 之间。模拟结果与采空区地表剩余变形量计算基本吻合，比较符合现场实际情况。该变形量严重影响公路的安全运营。 5、结论 综上所述评价，该采空区对拟改建公路危害极大。主要表现为：沉降加大了地表倾斜和拉伸变形，即水平变形使路基受到拉伸和压缩后而弯曲、沉陷，竖直变形会使路基开裂、塌陷。特别是在动载荷作用下，地表变形的不连续与无规律沉降的不均匀性，必然导致路线平纵横断面的改变。这对路基及行驶的车辆都会造成危害及安全隐患。因此，该采空区在公路改建后的运营期间，其应力状态和变形特征都不能保证公路的安全性和稳定性，必须采取工程措施（如注浆法）进行治理。 参考文献 矿山开采沉陷学（中国矿业大学出版社.1989） 隧道穿煤及采空区围岩变形特征与数值模拟研究（岩石力学与工程学报 2002.21）
