不影响煤矿煤层开采条件下高等级公路下采煤对公路的影响及安全技术措施*

郭轲轶

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013; 2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

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]。但当公路从矿区煤田上方通过时，不仅会压占大量的煤炭资源，而且也给公路的安全运行带来隐患，特别是高等级公路，路面结构特殊，行车速度快，对地表变形敏感。地下开采将对公路造成一定的影响，使路基沉降、路面开裂或者挤压变形，形成陷坑、突起、波浪、路面位移及坡度改变等病害，影响公路的正常安全使用。

河南省安阳市殷都区交通运输局拟建设省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路工程项目，该工程项目将压覆安阳大众煤业有限责任公司南部区二1煤层。S303安姚路沿线经过大众煤矿部分已采二1煤层和未采区域，S301未经过大众煤矿井田区域，但距离大众煤矿井田边界约230 m，今后也会受到大众煤业煤层开采影响。

目前，我国关于公路下浅部煤层的开采及普通公路的保护技术已经有了一定方法和技术手段，也有一些针对高速公路下采煤的研究[2-3]，常见的技术手段有煤层采用条带开采、留下小的保护煤柱同时加强公路的监测及维修等方法，这些方法和技术手段都是基于煤层开采时井下采取的技术措施，而对于在不影响煤矿煤层开采情况下，新建高等级公路会受到多大的采动影响，同时对高等级公路的保护技术措施的研究并不多见，这仍然是需要解决的一项技术难题。

1 项目区概况

省道S301线木厂屯至积善段改建工程采用双向两车道二级公路技术标准，路基宽度16.5 m，设计速度为60 km/h。全线路面采用沥青混凝土结构形式。桥涵荷载等级为公路-I级，设计洪水频率1/100。S303安姚路项目建设里程35.351 km，采用双向六车道一级公路技术标准，路基宽度33 m，设计速度为80 km/h。桥涵荷载等级为公路-I级,设计洪水频率1/100。

二1煤埋深250.0～892.0 m，为该矿区主要可采煤，平均厚4.29 m。开采情况如图1所示。二1煤上覆地层主要为泥岩、砂岩、砂质泥岩等，其中第四系+新近系厚度为13.75 m，整个覆岩岩性属中硬。省道S301线木厂屯至积善段改建工程公路位置以南为F1铜冶断层，该断层处于大众煤矿井田最北部边界处，落差100～130 m，倾角70°。其出露位置距离省道S301线木厂屯至积善段改建工程公路较远，不会对新建公路造成影响。此外，省道S301线木厂屯至积善段改建工程公路附近及下方还有些小断层发育，会对新建公路造成一定的不利影响。

图1 S303安姚路经过大众煤矿区域采掘工程平面图

大众煤矿井田与省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路位置关系如图2～图3所示。

图2 省道S301线木厂屯至积善段改建工程与大众煤矿井田边界位置图

图3 S303安姚路与大众煤矿井田边界位置图

2 地表沉陷变形预计

根据资料可知，目前大众煤矿仅在井田中西部地区进行了部分开采，整个井田包括项目区下方及附近还有大量资源尚未开采，随着这些待采煤层开采范围的逐步扩大，必将对省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路公路造成一定的破坏性影响。因此，在进行老采空区的地表残余沉陷变形预计的同时，也要计算今后煤层开采的影响。

地表沉陷变形计算方法采用我国常用的概率积分法[4]。根据安阳矿区及类似条件下矿井岩移参数，同时结合该场地的地质采矿条件，选取的计算参数如表1所示。

表1 选取的计算参数

经过计算，求得了省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路公路的地表移动变形值，如表2～表3所示。

表2 省道S301线木厂屯至积善段改建工程公路线路最大移动变形值

表3 S303安姚路线路最大移动变形值

为保证新建公路的安全正常运行，省道S301线木厂屯至积善段改建工程公路受影响路段中K13+405～K13+946段，最大下沉70 mm，最大倾斜变形-1.0 mm/m，最大水平变形1.5 mm/m，建议按Ⅱ级损害影响考虑；K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段，最大下沉50 mm，最大倾斜变形-0.5 mm/m，最大水平变形0.8 mm/m，可按Ⅰ级损害影响考虑。S303安姚路受影响路段中K15+650～K16+570段，最大下沉2 620 mm，最大倾斜变形-6.8 mm/m，最大水平变形-4.8 mm/m，建议按Ⅲ级损害影响考虑；K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段，最大下沉400 mm，最大倾斜变形0.5 mm/m，最大水平变形0.6 mm/m，可按Ⅰ级损害影响考虑。

3 地基稳定性分析

由于新建公路的荷载向地下有一定影响深度，当这个深度与地下采空区的垮落裂缝带相交叠时，就会破坏垮落裂缝带业已平衡的状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形[5]。

3.1 覆岩破坏高度

根据开采煤层的角度、煤层厚度、煤层的倾角、开采尺寸、开采方法及上覆岩层的岩性等，确定垮落裂缝带的发育高度，同时根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，该项目覆岩岩性为中硬偏硬，选取计算公式如下[6]：

(1)

式中，∑M为煤层的累计采厚，m。

项目区附近地下主要开采煤层为二1煤，最小采深311 m，煤层开采厚度2～4 m，按4 m。经计算，二1煤垮落断裂带的最大发育高度位于二1煤煤层顶板之上67.7 m。所以，其垮落断裂带的顶界面距地表的垂直距离为243.3 m。

3.2 路基及车辆的荷载影响深度

路基属于静态荷载，车辆则属于动态荷载，荷载影响深度分别计算。考虑省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路目前全线路基主要以填方为主，路基平均填土量不大，其荷载影响深度有限，一般不超过3 m。

公路上的车辆荷载是一种长期循环荷载，在其他条件相同的情况下，动态荷载对基础变形的影响要大于静态荷载对基础变形的影响。目前，公路上的很多重型车辆是处于超载状态，因此，在公路设计时，车辆荷载(特别是超载车辆荷载)也是影响路基稳定性的重要因素。

研究表明，车辆动态荷载的影响深度随路基高度的降低线性增大，随车辆荷载的增大呈抛物线关系增大。对于轮距1.4 m，重30 t的货车，车辆荷载影响深度约为6～8 m，在超载(3倍超载)情况下，车辆荷载影响深度约为6～14 m。

3.3 地基稳定性

煤层开采后，当最小采深(H临)大于垮落断裂带高度(H裂)与建筑荷载影响深度(H影)两者之和时，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动，即：

H临>H裂+H影

(2)

根据前面计算，该项目区下方二1煤H裂为67.7 m，新建公路的荷载影响深度(H影)为17 m，两者之和为84.7 m，而正下方二1煤最小采深为311 m，因此省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路的荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。

4 新建公路的可行性分析

公路属于延伸长度大的线性构筑物，同时一般设有桥梁、高架桥等附属构筑物，车辆的运行速度高、密度大、运量大，对开采沉陷损害极为敏感。根据项目区附近的地质采矿条件及公路所受的沉陷影响的特点，通过对各种因素综合考虑，对采动影响路段建筑可行性分析如下：

(1)省道S301线木厂屯至积善段改建工程受影响路段中K13+405～K13+946段将受到Ⅱ级开采损害影响，K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段将受到Ⅰ级开采损害影响。S303安姚路受影响路段中K15+650～K16+570段将受到Ⅱ～Ⅲ级开采损害影响，K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段将受到Ⅰ级开采损害影响。开采沉陷变形将导致线路路基承载能力出现不同程度的下降，对公路的正常运行有一定影响。其它路段不受大众煤矿煤层采动影响，可进行常规设计和施工。

(2)省道S301线木厂屯至积善段改建工程线路纵向(南北方向)最大倾斜变形为-1.0 mm/m,对公路路面行驶车辆造成重心偏移的影响很小。S303安姚路线路纵向(南北方向)最大倾斜变形为5.0 mm/m，设计路基宽度33 m，其中路段K15+627～K15+900段最大倾斜变形超过3 mm/m，该路段路基建设时应适当考虑倾斜变形影响，按不利情况考虑，采动影响后，路面最大纵向坡度向南方向增加约为0.3%，但路面、路基的纵向倾斜容易使车辆重心发生偏移，建议在线路弯道位置限制车辆行驶速度。

(3)省道S301线木厂屯至积善段改建工程线路横向(东西方向)最大倾斜变形为0.3 mm/m，对公路路面爬坡的影响很小，不会造成路面坡度因采动影响发生较大变化。S303安姚路线路横向(东西方向)最大倾斜变形为-6.8 mm/m，其中路段K15+576～K15+977、K16+124～K16+544段最大倾斜变形超过3 mm/m，其中K15+576～K15+977路段地势西高东低，计算爬行坡度约为2.6%，受采煤影响的倾斜变形会降低爬行坡度；K16+124～K16+544路段地势东高西低，计算爬行坡度约为1.4%，按不利情况考虑，采动影响后，路面最大坡度约为1.7%，一般不会出现车辆行驶困难。

(4)省道S301线木厂屯至积善段改建工程线路横向(东西方向)最大水平变形为0.3 mm/m，纵向(南北方向)最大水平变形为1.5 mm/m。水平变形容易引起公路路基、路面起鼓、开裂破坏；煤层的开采沉陷变形还将引起公路的水平变形，S303安姚路横向(东西方向)最大水平变形为-4.8 mm/m，纵向(南北方向)最大水平变形为2.5 mm/m。建议路面铺设时设置钢筋骨架和变形缝，以增强路面的抗变形能力。

(5)S303安姚路K15+666.800处计划建设李辛庄中桥，最大下沉约为800 mm，地表沉陷变形对其构成一定的影响，可在桥梁设计时采用抗变形设计的同时要加强对桥梁的监测，确保桥梁的安全。同时，省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路设计了许多涵洞，处在受采动影响区内的涵洞在设计时建议采取一定的抗变形措施。

通过以上分析可知，省道S301线木厂屯至积善段改建工程、S303安姚路项目是可行的，该项目的建设不会对大众煤矿的开采造成影响，但由于煤矿开采沉陷变形的影响，需对公路采取相应的路基加固和路面、桥梁及涵洞的抗变形技术措施，并加强对新建公路的观测工作，以确保新建公路的正常安全通行。

采煤塌陷区的移动变形量是在今后若干年内逐步发生的，并非在短期内全部作用于公路及其附属构筑物上，实际的变形是缓慢发生的，可以通过维修调整对沉陷变形进行吸收处理。

5 公路的抗变形技术措施

公路建设中经常遇到线路穿越采空区现象，采空区残余沉陷变形必然对公路的安全行车带来一定影响，保证公路路基具有足够的承载能力、路面结构完好、路面变形处于允许范围内，是公路安全、正常运行的重要保证。

(1)在路基回填前，检查是否有因采动引起的地表裂缝并进行回填处理，并采用震动碾压机进行压实，以确保地表具有足够的承载力和稳定性。

(2)做好地面的清表回填，挖除老路面，做好新老路搭接，对加宽路基基底范围内的杂草树木、淤泥和回填土进行清理，将坑穴填平夯实，当基底含水量较高时，应采取翻挖、晾晒或掺灰处理，或者换填一定厚度的砂砾层。对于高路堤区段，应验算边坡稳定性，并适当降低边坡坡度，设置坡脚片石护坡。对于路堑区段，应验算路堑边坡的稳定性，对于边坡稳定性不足处，应采用相应的加固措施或降低边坡坡度的方法，增加其稳定性。

(3)加强下伏采空区及断裂构造的探测与治理，必要时可采用明挖回填、注浆加固等措施，强化采空区围岩结构，提升地基的抗变形能力[7]；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，在沉陷基本稳定后再开发利用地表土地。

(4)在开采沉陷区范围的公路路面、路基工程建设中，采用与基础(地表)相适应的抗变形结构。一方面在路基与基础间设置滑动层减小路基与基础间的摩擦力，其做法是在滑动层下部基础顶层应用混凝土找平，铺设两层油毡，也可在中间夹石墨粉或云母片；另一方面是改变路基、路面的结构与材料性质，如路面底基层采用连续配筋混凝土板对采空区路基进行补强处理，铺设土工织物加固公路地基和路堤，选择轻质材料(如粉煤灰)做路基填料，选用抗变形能力强的路面材料等。

(5)对于采空区地表的水平变形集中区，路面可采用改性沥青技术，在水平变形超过改性沥青混合料的允许值范围时，可采用设置变形缝的水泥混凝土路面结构，水泥混凝土路面设与地表变形方向一致的钢筋骨架，以增强抗变形能力，并根据地表残余变形的大小确定变形缝的路面板块尺寸[8]。对于倾斜变形集中区，影响公路正常运行的主要是横向倾斜尤其是弯道位置的横向倾斜，为保证车辆稳定、安全运行，应根据行车速度、车辆倾斜度、确定车辆重心的偏心距、向心力与离心力的平衡条件，评价影响程度。

(6)地表沉陷变形会引起公路坡度、形态(包括圆曲线和竖曲线)发生一定变化，在方案设计中应根据其地表残余变形情况有针对性地加宽、加高路基，改善急弯、陡坡和视距。

(7)桥涵采用钢筋混凝土框架箱涵，并根据地表残余变形和路基回填的高度和宽度，增加涵洞的长度；增加箱涵的壁厚、配筋和混凝土标号；采用高强度盖板或增加支撑，提高其承载力；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

(8)为满足桥面变形的要求，通常在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置上设置伸缩缝，要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向，均能自由伸缩，牢固可靠，车辆行驶过时应平顺、无突跳与噪声，尽量选择整体性好、抗弯抗压强度高、调节范围大的伸缩缝型号[9-10]。伸缩量除了考虑桥梁本身的需要，还要考虑地表变形的影响。根据地表残余变形值的大小，相应增大桥跨部分结构刚度，除应满足当地抗震设防烈度要求外，断面大小及配筋量均应按给出的地表残余变形值大小计算确定。支座部分选择可调节范围大的支座形式。

(9)加强路基路面的巡视和监测，及时清理路基排水沟渠，保证公路养护工作及时到位，确保线路满足公路工程技术标准的相关技术要求。

6 结 语

结合大众煤矿区域地质采矿条件，针对大众煤矿煤层开采的情况，在不影响大众煤矿煤层正常开采的前提下对在其井田范围内建设高等级公路进行了地基稳定性评价，分析了新建高等级公路的可行性，同时，结合地表沉陷变形计算提出了公路的抗变形技术措施。通过分析研究可知，在不影响煤矿煤层开采的条件下，新建高等级公路是可行的，建议加强对新建公路的观测工作，以确保其正常安全通行。