煤矿开采对公路桥的安全影响现状评价

邹友平

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

近年来随着我国煤炭工业和公路建设的迅速发展，公路桥在煤矿区受采动影响破坏现象日益突出。在很多区域多个路段的公路桥位于煤田上方，将受采动直接影响，严重的会导致交通中断及交通事故[1-6]。因此，为了公路桥的使用寿命及安全运输，必须充分了解公路桥受采动影响程度，在煤矿开采条件下对公路桥影响现状进行评价，以期有针对性地为煤矿开采或桥梁维修提供较为可靠的依据。

本文通过搜集地质采矿和公路桥的资料，利用专门的计算软件对南一采区开采影响进行了地表移动与变形计算，给出了开采影响下公路桥的地表移动变形值，结合公路桥受采动影响变形规律及公路桥抗采动变形能力与相关规程规范，分析评价煤矿开采对公路桥的影响程度，并提出相关处理措施及建议。

1 煤矿地质采矿条件及公路桥概况

1.1 地质采矿条件

山西某矿设计生产能力6Mt/a，主采煤层为3号煤层，该煤层位于二叠系山西组下部，平均厚5.99m。煤层顶板一般为泥岩，粉砂质泥岩，底板为黑色泥岩、粉砂岩，老底为中细粒砂岩。对公路桥有影响的工作面为S1203工作面，该工作面埋藏深度为356～457.5m，切眼长345m，回采斜长1057.5m，采高3.2m，采、放高度总和6.65m，煤层倾角平均约6°。采煤方法为大采高综采放顶煤，全部垮落法管理顶板，开采时间为2016年1月至2016年3月。工作面截止目前推进位置对应地表前方130m为309国道公路桥，目前剩余可采长度890m。

1.2 公路桥概况

该公路桥为309国道桥梁工程，中心桩号K988+275，公路桥全长64m，路面宽12m，单车限重14t，总限重55t。小河从公路桥下方穿过，公路桥与小河斜交50°，在桥的北侧设置有预制涵洞。公路桥上部结构为4～16m预应力混凝土空心板，下部为三柱式墩、肋板式台、灌注桩基础。公路桥桥墩的周长为3.15m，桥的两端设置有30mm沉降缝。

公路桥桥墩编号见图1。公路桥位于S1203工作面上方且主桥体位于S1203胶带巷北侧13m。S1203工作面于2016年3月2日已回采至主桥体东侧135.8m处，主桥体东侧路面37.24m处已出现贯穿路面3mm宽的裂缝，200m处已出现贯穿整个路面高100mm宽300mm的底鼓。为确保公路桥的安全，该矿于2016年3月4日已对工作面停止回采，并对地面进行一系列的变形观测。

图1 公路桥桥墩编号

2 地表移动变形预计分析

2.1 计算参数选取

参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定，结合该矿在S2201，S2202工作面地表移动观测站实测数据的分析结论与相邻矿区的岩移观测成果，考虑到S1203工作面的具体地质与采矿条件以及开采充分度情况，地表移动计算参数选取见表1所示。

表1 S1203工作面开采地表移动参数

2.2 计算结果

计算采用天地科技股份有限公司编制的SMD地表移动计算软件(概率积分法)，本次计算主要考虑工作面开采对公路桥的采动影响，计算方向为公路桥的走向方向，沉陷盆地范围内地表移动与变形极值、公路桥桥体范围内地表移动与变形极值、各个桥墩处的地表移动与变形值计算结果见表2。

由计算结果可知，S1203工作面开采，公路桥桥体范围内地表最大下沉149mm，桥体走向方向地表最大倾斜变形3.78mm/m，最大水平变形4.57mm/m；各个桥墩的下沉介于40～110mm，桥体走向方向各个桥墩的倾斜变形介于1.25～2.94mm/m，水平变形介于1.79～3.08mm/m之间。

表2 S1203工作面开采地表移动与变形值统计

注：W为地表下沉值；U为地表水平移动值；E为地表水平变形值；T为地表倾斜变形值。

3 公路桥抗采动变形能力分析与确定

3.1 开采沉陷影响下公路桥涵允许变形现行相关标准

(2)由中华人民共和国交通运输部发布的《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03-2011)中规定：采空区公路地基稳定性评价标准应根据公路工程地基容许变形值(表3)确定。

表3 采空区公路工程地基容许变形值

注：本表不包括对变形有严格要求的复杂结构桥梁和隧道工程。

3.2 该区域公路桥允许变形标准

以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)以及《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03-2011)中的相关规定为基础[7-9]，结合309国道和该公路桥及其涵洞的实际特点，取以上规程规范中规定的允许变形标准的下限值，确定该公路桥段地表允许变形标准为：倾斜变形i≤±3mm/m，水平变形ε≤±2mm/m，曲率变形K≤±0.2×10-3/m；墩台均匀总沉降值≤100mm；相邻墩台均匀总沉降差值≤50mm。

4 公路桥受采动影响现状评价

根据前述S1203工作面开采对公路桥的采动影响计算结果，对照该公路桥允许变形标准，公路桥受采动影响总体变形值、各个墩台的沉降值与相邻墩台均匀总沉降差值分别见表4～6所示。由表4可知，公路桥段地表移动与变形最大值已超过其允许变形值，公路桥已受到采动影响，但是由于采动影响时间的滞后性，且西莲中桥自身有一定的抗变形能力，故采动损害在公路桥桥体上尚未显现。由表5可知，公路桥9个桥墩中有3个桥墩的墩台沉降值略超过允许沉降标准(≤10mm)，相邻墩台均匀总沉降差值均在允许范围以内，所以公路桥受S1203工作面采动影响较小(表6)。

综上分析，S1203工作面的开采对公路桥的安全造成了影响，会导致公路桥损害的产生；由于该矿及时停止了S1203工作面的继续推进，所造成的地表沉陷对公路桥的影响较小。

表4 公路桥受采动影响地表移动与变形极值分析

表5 公路桥各个墩台的沉降值分析

表6 西莲中桥相邻墩台均匀总沉降差值分析

5 结束语

通过对S1203工作面开采时间及工作面与公路桥相对位置的对比分析，并经过地表移动变形计算的验证，得出S1203工作面开采后，公路桥段最大倾斜变形为3.74mm/m，最大水平变形为4.4mm/m，均超出了公路桥地表允许变形标准，公路桥将受到采动影响。由于采动影响时间的滞后性，且公路桥自身有一定的抗变形能力，目前采动损害在公路桥桥体上尚未显现，但由于地表移动期仍未结束，公路桥未来将会产生一定损害。

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[8]公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)[S].北京：人民交通出版社，2007.

[9]采空区公路设计与施工技术细则(JTG/T D31-03-2011)[S].北京：人民交通出版社，2011.