公路下采煤引起路面变形的机理研究与实践

杨晓威 陆梅红 周华强

（1.江苏省第一工业设计院股份有限公司，江苏 徐州 221006；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

1 概况

平禹煤矿1311工作面主要为公路下保护煤柱，平均埋深300m，煤层平均厚度3m，煤层倾角5°。煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚8.1m，基本顶为中粒砂岩，平均厚3m。工作面走向长450m，倾向长87m。

地面公路沿工作面倾斜方向横穿工作面，为双向四车道省二级公路，图1所示，水平跨距约96m，路面宽约23m。路面为半封闭的次高级柏油路面，属于半刚性路面，公路结构从上向下分为碎石沥青路面、水稳层、路基及部分垫土层和防水隔层，其中土基厚约250mm，水稳层厚度230mm，水稳层以上结构厚为135mm。

图1 公路与回采工作面位置关系

在不考虑充填开采及留煤柱开采情况下，设计采用走向长壁后退式采煤方法、综合机械化采煤工艺，回采率95%。借助于概率积分法，结合工作面实际开采条件，分析得出公路两侧各120m内限厚采高2m为最佳方案，预计公路最大倾斜变形值为4.1mm/m，最大水平变形值为3.5mm/m，满足二级及以下公路、路面为高级及次高级路面的容许变形值要求。

2 采动影响下地面观测数据整理与分析

为了分析采动对地表建（构）筑物的影响程度，在采动影响范围内，建立地表移动变形观测点。地面观测沿公路布置观测点，分别沿工作面倾向方向布置 28个观测点（A1～A14、B1～B14），走向方向与倾斜方向交点为0号观测点，走向方向布置14个观测点（L01～L14）。

2.1 现场公路受采动影响现状

随工作面推进，路面发生了阶段性变化。前期以水平拉伸为主，路面发生裂纹及倾斜变形，对路面行车安全无影响。中期表现为水平挤压现象比较严重，路面鼓包由小变大，路面拱起变形最大高度约120mm。后期表现为路面下沉及断裂缝，影响范围50m内路面出现波浪起伏状。现场实测裂缝宽50mm，路面裂缝延展长度11m。

2.2 观测数据整理与分析

随着工作面不断推进，地表共进行了40次观测，工作面共推进了253m，从中选取十三组观测数据分别对公路下沉量及水平移动变形量进行分析。

路面观测范围为工作面两侧各350m范围内，根据工作面推进度，分析对公路的下沉影响。从曲线图2可以看出，距离采煤工作面越远，影响越小，其中200～350m范围以外公路下沉量最小，采动影响程度较轻。靠近工作面中心线20～30m范围内的路面下沉值最大为450mm，沉陷稳定之前还会存在部分残余变形[1]，后期公路修复过程中应充分考虑残余变形的影响。

图2 沿公路走向各观测点下沉变化曲线图

（2）采动引起的路面上各观测点间的水平移动变形数据分析

从现场看，公路受采动影响下发生了部分路面下沉、局部鼓起及裂缝等现象。选取现场部分数据进行整理分析，见图3所示。

图上B1～B13相邻两点间的水平距离逐渐增大，水平拉伸变形增加。当拉伸变形超出路基屈服强度后，就会发生断裂，路面会出现裂纹，现场裂缝位于B1～B7之间。A1～A13各观测点相邻水平间距不断缩小，公路受到了挤压变形，路面出现隆起变形。

图3 公路上各观测点间水平变形曲线图

3 公路变形机理研究与分析

3.1 采动影响下上覆岩层移动理论分析

由于采动影响导致上覆岩层发生移动，地表产生沿竖直方向和水平方向的位移，导致地表相邻点的下沉和水平移动量是不相等的，点与点之间相对移动，改变了公路路基原载荷稳定状态，造成路面发生弯曲变形，如路面形成弯曲下沉、弯曲拱起及断裂缝等现象[2]。在采动影响下，公路发生弯曲变形分为两种情况：一种情况是采动影响下地表岩层的水平移动形成路面弯曲现象；另一种情况是采动影响下地表及路基下沉，造成路面下沉弯曲现象。根据路面变形情况绘制路面弯曲变形剖面图，见图4所示。

图4 路面弯曲变形剖面图

受工作面开采影响，路面将发生隆起、下沉、断裂等变形。当工作面后方基本顶来压时，覆岩发生弯曲变形，并形成弯曲下沉带，这是造成公路面发生较大变形的直接原因。由于公路为半刚性路面，路基起到主要支撑作用，路基受周围水平应力挤压影响，自身发生屈服变形，形变量集中后，反映到上覆沥青路面就形成鼓起现象。随着工作面不断向公路正下方推进，岩层水平移动变形会不断增大，鼓起部分沿轴线延展。为防止影响行车安全，应及时对路面进行修补[3]。

当工作面推出公路正下方时，路面完全处于采空区内，路面呈整体下沉，公路下沉带动南北两侧路面不均匀下沉，两侧拉应力大于路面自身屈服强度后，路面则会发生下沉和断裂变形。

在采动影响下，上覆岩层的移动是导致路面发生一系列变形的最主要因素之一。受断层构造影响，地表移动变形较剧烈，断层在岩体介质中处于弱面，自身的力学强度要低于围岩体的力学强度，工作面开采过程中形成的附加应力作用，使断层影响区域的岩层与地表移动和变形呈现出非连续性，是地表沉陷中断层“活化”[4]及突变的结果。

工作面偏北路面出现较大断裂缝，而偏南侧没有出现较大断裂缝，证明工作面南北两侧岩层移动变形的剧烈程度受断层影响出现偏差。

已有研究表明，工业化和城市化相互促进，两者具有正相关关系，也就是说城市化率越高工业化程度就越高。钱纳里和库兹涅茨的工业化发展水平评价体系认为，前工业化阶段，人口城市化率30%以下；工业化早期，人口城市化率30%～50%；工业化中期，人口城市化率50%～60%；工业化后期，人口城市化率60%～75%；75%以上为后工业化阶段。

3.2 岩层水平移动造成公路断裂力学分析

（1）力学模型分析

在不考虑路面车辆荷载的情况下，根据弹性力学基本理论，借助胡克定律计算受采动影响下水平移动变形造成的路面断裂缝时的变形量ε。通过分析，应力变形值与公路路面材料性质及水平应力大小有很大的关系。不考虑路面的车辆荷载，只考虑水平方向主应力及水平移动变形值，并结合土力学中莫尔应力圆理论建立的主应力极限平衡条件，推导后的变形量ε简化计算公式为：

式中：

ε-水平应力变形值，mm/m；

c-粘聚力，取1.5MPa；

μ-泊松比，取0.35；

E-路面抗弯沉结构模量，取30MPa；

φ-内摩擦角，取45°。

经理论计算，公路抗水平最大应力变形值为210mm，与现场实测数据相比，理论计算值偏小，其主要原因是部分计算参数取值理想化所致。因此，需要通过理论分析与实践相结合的方法，综合分析采动影响下路面发生的变形机理。

（2）路面发生变形机理分析

通常在拱起的路面不远处，就会形成一个较大的裂缝，目前沥青混凝土路面一般为连续的完整路面，当水平拉伸应力作用超出自身的屈服强度时，就会形成断裂。在工作面中心位置，受两端相向水平应力作用影响，路面受到挤压发生拱起变形。在工作面范围以外，受拉伸应力作用发生大小不一的裂缝。由于地面表土层厚度分布不均匀，且公路呈现一定的走向坡度，厚度较薄一侧与另一侧对比起来水平应力影响程度较大，路面发生变形裂缝现象也比较明显。当工作面完全推出公路范围约15m左右时，路面形成较大的裂缝，与基本顶周期来压步距基本一致。

因此，过公路下开采既需要考虑限厚开采，同时也需要合理布置工作面及循环作业进度，充分考虑基本顶周期来压步距，做好路面及时修复准备，为公路安全行车提供预测预防。

4 总结

公路下采煤要做好技术合理性评价工作，在技术上要提前采取一定的防控措施，确保路面与路基不发生离层，基于受护对象自身抗变形能力条件，提出合理的公路下采煤方法，减小对地面建（构）筑物的影响范围及损坏程度，保证路面安全行车要求，降低公路修复成本，实现路面简修或不修。