厚煤层综放开采工作面对地表公路采动影响预测

于德亮，刘 伟，翟 珂

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272102）

0 引 言

S246 临邹线兖州大庙至邹城二十米桥段部分位于兴隆庄煤矿井田上方。根据兴隆庄煤矿开采规划，今后开采对公路产生影响的工作面有10304、10310、10311、10312 等 4 个工作面。为研究 S246 临邹线兖州大庙至邹城二十米桥段大修工程涉及煤矿相关开采沉陷对公路影响情况，需进行兴隆庄煤矿开采沉陷影响S246 临邹线进行预测，为公路治理提供科学依据。

1 开采区域概况及地质条件

兴隆庄矿上组煤10 采区位于井田中南部，采区东部至津浦铁路保护煤柱，西部与上组煤4 采区相邻，北部以工业广场保护煤柱为界与上组煤2 采区相邻，南部以井田边界保护煤柱为界与东滩矿相邻采区走向长0.51~2.54 km，倾向长1.3～3.85 km，面积约5.74 km2。采区内3 煤底板标高平均约-422.5 m。采区范围地面标高为+45.93～+48.15 m，平均+47.00 m，地势平坦。

上组煤10 采区处于兴隆庄井田南部，位于兖州向斜北翼，为一走向北东-北西，倾向南东-北东，倾角2°~18°的单斜构造。十采区内第四系基本呈现由西向东先变薄再增厚趋势，厚度较大、变化小，厚度为165.84~229.25 m，平均193 m。本面所采煤层为下二叠统山西组底部之3 煤，3 煤位于山西组下部，下距6 煤36 m 左右，下距三灰一般40~50 m，间距比较稳定。3 煤厚度大且稳定，厚度7.58~10.28 m，平均8.76 m，绝大部分厚度在8 m 以上，属全区可采的稳定煤层。断层主要有近东西向和近南北向2 组。3 煤的断裂以NNW 及NNE 向的张扭性正断层为主，SN向正断层次之，裂隙发育方向与断层走向基本一致。断层落差在0~23 m，延展长度在70~2 700 m 之间。

2 开采工作面及公路现状

2.1 开采工作面情况

本区已采工作面有：10301 下面（2005 年）、10302下（东）面（2010 年）、10302 面（2011 年）、10303 面（2013 年）、10305 面（2015 年）、10306 面（2017 年）。

正在或计划开采的、对公路会产生影响的工作面有 10304、10310、10311、10312 等 4 个工作面，见表 1。

表1 开采工作面情况

2.2 公路现状

S246 临邹线公路兖州大庙至邹城二十米桥段东西向通过兴隆庄煤矿10 采区上方，起点为兖州区大庙（K227+455）,终点位于邹城市东滩路二十米桥（K240+296）,路线整体呈东西走向，见图 2 、图 3。

图1 公路现状（西部10310、10311 面上方）

图2 公路现状（东部10304 面上方）

3 开采区域地表沉陷预计

3.1 预计参数选取

兖州矿区地表移动规律研究成果分析，本区地表移动规律基本符合概率积分模型，因此本区的地表移动和变形预计采用概率积分法预测模型。同时概率积分法也是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定的计算方法。根据兖州矿区及兴隆庄煤矿岩移成果，结合十采区工作面的具体地质条件，通过综合分析，确定本次预计选用的预计参数分别如下：

下沉系数：q= 0.83；水平移动系数：b= 0.3；主要影响角正切值：tgβ=1.8～2.2；开采影响传播角：θ= 90°-0.56α；拐点偏移距：s= 0.05H，当附近为老采空区时，该侧拐点偏移距取负值。

3.2 预计分析

10 采区公路下方老工作面有：10301 下面（2005年）、10302 下（东） 面（2010 年）、10302 面（2011年）、10303 面（2013 年）、10305 面（2015 年）、10306面（2017 年）。这些老工作面已开采结束多年，残余沉降很小，对公路影响可以忽略，且影响公路塌陷段已经回填或治理，故不再进行沉陷预计分析。根据实际开采情况，在预计计算时，按开采顺序（10304 、10310 、10311 、10312 面）依次进行开采沉陷预计。在10304 等工作面开采沉陷预计时，考虑了周围老采空区的影响。

1）10304 面沉陷预计分析。工作面开采引起的公路最大下沉值为5.2 m 左右，影响长度约978 m。

2）10310 面沉陷预计分析。工作面开采引起的公路最大下沉值为6.5 m 左右，影响长度约922 m。10304 、10310 工作面开采引起的公路最大下沉值为6.5 m 左右，影响长度约1 800 m。

3）10311 面沉陷预计分析。工作面开采引起的公路最大下沉值为6.0 m 左右，影响长度约828 m。10304 、10310 、10311 工作面开采引起的公路最大下沉值为7.0 m 左右，影响长度约2 055 m。

4）10312 面沉陷预计分析。工作面开采引起的公路最大下沉值为1.0 m 左右，影响长度约568 m。10304 、10310 、10311 、10312 工作面开采引起的公路最大下沉值为7.0 m 左右，影响长度约2 158 m；此为本区公路沉降最终值。

图 3 10304、10310、10311、10312 面开采引起的地表下沉等值线图

4 各工作面超前及滞后影响公路分析

兖州矿区综放开采超前影响角计算公式如下：

式中：c为工作面推进速度，m/d；H为采深，m；h为表土厚度，m；M为采厚，m。

4.1 10304 工作面

走向长2 312 m，推进速度每月约120 m（4.0 m/d）；由南向北开采，逐步靠近公路并推过。通过计算开采超前影响角为66.6°，则10304 工作面超前影响距为186 m；则当10304 工作面推进至距公路186 m 左右时公路开始出现下沉，并将逐渐增大。开采移动角为60°左右，则当工作面推过公路248 m后对公路影响基本结束。

4.2 10310 工作面

走向长1 014 m，推进速度每月约90 m（3.0m/d）；由南向北开采，逐步靠近公路并推过。通过计算开采超前影响角为66.9°，则工作面超前影响距为180 m。则当工作面推进至距公路180 m 左右时公路开始出现下沉，并将逐渐增大。开采移动角为60°左右，则当工作面推过公路225 m 后对公路影响基本结束。

4.3 10311 工作面

走向长880 m，推进速度每月约90m（3.0 m/d）；由南向北开采，逐步靠近公路并推过。通过计算开采超前影响角为66.5°，则工作面超前影响距为173 m；则当10311 工作面推进至距公路173 m 左右时公路开始出现下沉，并将逐渐增大；工作面推过公路190 m 停采，对公路影响基本结束。

4.4 10312 工作面

5 影响段公路桥的稳沉预测分析

在S246 临邹线兖州大庙至邹城二十米桥段的东南方向，有一公路桥：泥河桥，桥梁现状见图4。

图4 泥河桥现状图

图5 泥河桥区域井上下对照图

泥河桥位于采区上方，桥梁下方工作面有3上煤的 14305 综放面（1998 年）、14306-1 分层综采面（1990 年） 和 14306（2000 年）、14307（1996 年）、14308（1999 年）、14309（2004 年）及 3下煤的 143下05 （2012 年）、143下06 （2010 年）、143下07（2009年）、143下08（2008 年）、143下09 综采面（2007 年）。

《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044-2014，2017 年）规定，采空区场地稳定性评价可以采用开采条件判别法，以采空区终采时间为主要因素，结合地表移动变形特征、顶板岩性及松散层厚度等因素，本区采深在580 m 左右、顶板岩性较硬、松散层厚度190 m 左右，井下开采方法为走向长壁全部垮落法。

表2 按终采时间确定顶板垮落充分的采空区场地稳定性等级

按终采时间判定：本区覆岩总体属于较硬覆岩、顶板垮落充分，井下最近开采的工作面时间是2012年，距今已7 年、远远大于2.5 年，故泥河桥区域已稳定。

按地表移动变形特征判定：本区采深较大，地表属于连续变形，泥河桥位于盆地中间区，地面无地裂缝、台阶、塌陷坑，稳定等级属于稳定。

按顶板岩性及松散层厚度判定：本区基岩厚度490 m 左右，有多层厚层状硬岩层，厚度远远大于15.0 m，松散层厚度190 m、远远大于30 m，稳定等级属于稳定。

综上，以采空区终采时间为主要因素，结合地表移动变形特征、顶板岩性及松散层厚度等因素，通过综合分析，可以认为泥河桥区域场地已稳定。

表1给出二2煤层顶底板岩石单轴抗压强度和弹性模量测试结果，弹性模量是指单轴压缩过程中应力-应变曲线直线段的斜率，需要说明的是表中给出是3个试样结果平均值，二2煤层顶底板不同岩性弹性模量分布特征如图5所示。

6 公路治理初步设计

1）路基。一般加宽路段采用6%生石灰粉处理地基20 cm，再用6%低剂量灰土回填80 cm 至路基顶，采空区积水路段采用抛石挤於处理。

2）路面维修方案。对原路面或路基处理后，铣刨沥青混凝土面层后对上基层就地冷再生，铺筑4 cm SBS 改性沥青面层（AC-13）+ 黏层 +5 cm 中粒式厂拌热再生沥青混凝土（AC-20）+ 封层+ 透层+2x18 cm 水泥稳定碎石，路面高程抬高35~37 cm。

3）防护。路基边坡趋于稳定，路面抬高后加铺路肩。

4）排水。维修接高既有排水设施，增设缺失段排水设施。

5）交通标志。对不满足规范的标志进行更换，对标志不全的生产路口补齐应有标志；同时，在沿线穿越学校、村庄路段，设置警告标志及人行横道告知标志。

6）护栏。原有组合型护栏全部拆除，新建为F型SAm 级混凝土护栏，在加油站附近，设置SA 级防撞混凝土护栏。

7 治理采取的主要措施

7.1 沉陷区变形指标控制

地面治理主要有：加高、加宽路基，灌浆处理采动裂缝，调整超限的坡度、竖曲线、平面圆曲线和超高，修理不平整的路面和损坏的涵洞等。根据有关规定和分析可见，对于S246 公路，其纵向变形限制为：倾斜＜4 mm/m（坡长限制为500 m）、当倾斜小于2~3 mm/m 时不限制坡长；最大负曲率为0.33 mm/m2，最大正曲率为0.15 mm/m2；其横向变形限制为：倾斜＜6 mm/m。由于没有对水平变形进行规定，取建筑物的临界变形值，即水平变形限制为小于2 mm/m。

7.2 矸石充填路基

采煤塌陷区公路治理必须采取切实可行的措施，及时抬高、维修、加固采煤区段的路基，由于综放开采下沉量大、下沉速度大、公路变形剧烈，如果维护不及时，公路路基会随地表塌陷，产生裂隙和台阶，影响交通的安全正常运行。煤矸石是煤矿在生产过程中排至地面的一种工业废渣，利用煤矸石作为公路路基回填材料，可以解决塌陷区路基回填材料不足问题，还可以减少矿区固体污染。

7.3 变形监测

在工作面回采过程中设立地表岩移观测站，进行长期观测，为公路运行提供实测数据支撑。

7.3.1 泥河桥监测

对于桥墩、桥面移动变形的监测，建议采用如下方案：在每个桥墩基础及顶面设置观测点，监测开采期间的垂直变形和水平变形情况，每个桥墩基础及顶面设置1 个点，仅在桥墩顶面设置观测点。对于桥面移动变形的监测，与桥墩对应的桥面在变形缝两侧各设置1 个观测点或在一侧设点，采用钢尺丈量梁缝的变化，以监测梁缝的变化情况。观测内容及精度：进行高程和平面测量，根据《工程测量规范- GB50026-2007》规定，桥梁变形监测，水准测量采用三等水准，平面测量采用二等导线，在整个观测期内严格执行相关的测量规范。观测时间：在开采影响前，进行2 次全面观测；开采影响期间每10 天进行1 次全面观测；当每6 个月下沉小于30mm 时，进行2 次全面观测。

7.3.2 公路监测

观测站的控制点和工作测点，采用混凝土灌注或用预制的测点埋设。连接测量选择采区周围的2个四等控制点，布设5"激光测距导线或采用GPS进行观测站控制点连接测量。由于本区为平原地区，地势平坦，便于采用水准测量。进行连测应以不低于三等水准测量的精度要求，从较近的矿区等级水准点引测至观测站控制点。连接测量应独立进行2 次。观测站全面观测和日常观测的观测次数和精度要求按《煤矿测量规程》中的有关规定执行。在采动过程中，要及时地记录和描述地表出现的裂缝，塌陷的形态和时间，还要记录每次观测时的相应工作面位置、实际采出厚度、工作面推进速度、顶板塌陷情况、煤层产状、地质构造、水文条件等有关情况，为以后相同条件下公路治理提供依据。

8 结 论

本区的地表移动和变形预计采用概率积分法预测模型，本次预测根据实际开采情况，选取了合适的沉陷预计模型和参数，按开采顺序依次进行了开采沉陷预计，各工作面开采引起的公路最大下沉值为7.0 m 左右，影响长度约2 158 m；此为本区公路沉降最终值并给出开采引起的地表下沉等值线图，统计精确参数选取和计算，给出工作面超前和滞后影响距离，并提出了治理措施，为后期治理提供了科学依据。