煤矿老采区对高速公路关键工程段影响分析

何环莎，吕冠颖，赵聪聪

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012；3.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083）

近年来经济快速发展，修路造桥工程不断，大大提高了国内交通运输能力。在修建高速公路时，经常遇到工程段内存在煤矿开采的老采空区。煤矿大多数经历过早期巷道式不规则开采，或大规模长臂后退式开采。形成的采空区会在一个时间段内逐渐垮塌，引起地表岩层移动，产生不同程度的开裂、变形和塌陷。因此在修建高速公路前，必须对该路段采空区对地表的稳定性影响进行综合评价，保证高速公路工程的安全建设。

目前煤矿采空区对地表岩层移动变形的影响分析程序大致分为两个阶段：第一阶段是通过各种地球物理勘探设备对采空区的位置、暴露面积、体积进行勘察；第二阶段是通过各类定性分析、理论计算或三维数值模拟来量化采空区对地表岩层移动的影响程度，圈定移动影响范围，为高速公路的设计规划提供技术支撑［1-7］。

由于煤矿的沉积岩层特征，煤层在开采后顶板会逐渐垮塌将空区填实，但破碎的岩体强度低，在经过一段时间后，地表仍会产生较小的变形。但这种小变形对于高速公路工程来说也是影响较大的因素。因此在对采空区影响评价中，往往需要关注的重点问题是在经过较长时间的采空区顶板自然跨落后，地表仍会产生的剩余变形对高速公路工程的影响［8-10］，本次研究利用三维数值模拟对煤矿采空区开挖过程进行模拟，结合地表剩余变形机理研究，对两家已停产煤矿老采空区对高速公路工程段地表变形及公路关键工程的影响进行了专项分析。

1 工程概况

根据设计，拟建高速公路K8～K18 工程段有A 线 和K 线两条比较线。其中A 线ZK15+457～ZK15+891 公路段通过Y 煤矿，ZK15+526～ZK15+802 公路段经过Y 煤矿工业广场保护煤柱，线路以桥梁形式通过；K 线ZK15+255～ZK15+742 通过 Y 煤矿，线路 ZK15+002～ZK15+371 段为煤系地层出露段，线路以隧道通过，其中，ZK15+481～ZK15+642 段通过Y 煤矿深层采空区。D 煤矿位于K 线东侧，高速公路线路与煤矿空间位置关系如图1 所示。

图1 高速公路线路与煤矿空间位置

拟建高速公路项目段地形条件复杂，路线总体上地势起伏较大，沿线多山地、沟谷，项目最高点海拔为+1 466 m，最低点为河谷，海拔+510 m，高差956 m。

2 数值分析方法

2.1 模型范围

数值模拟的目的是确定Y 煤矿和D 煤矿矿界范围内采空区对K 线和A 线的影响，结合地质条件、矿山采掘现状及高速公路相关工程的综合考虑，最终确定模型范围（西安80 坐标系）：x方向范围为35 632 675～35 635 455（长度2 780 m）；y方向范围为3 058 039～3 059 239（长度1 200 m）；z方向范围为+410 m至地表。为方便计算，将模型左下角点（3 038 751.6，35 616 928.2）移至相对坐标（0，0），得到模型计算范围（相对坐标系）：x方向范围为0～2 780 m；y方向范围：0～1 200 m；z方向范围为+410 m 至地表。

2.2 地质构造

Y、D 煤矿总体呈单斜构造，区内地层倾向为340°～10°，倾角为38°～48°，平均46°，矿区地质构造属简单型，模型包含7 个地层，地层分布如图2 所示。煤矿矿区煤系属于上二迭统龙潭煤组，层厚为70～80 m，平均74 m。区内含煤9～13 层，平均总厚为8.0 m，含煤系数为7.22%，全区可采煤层C5、C7、C12，平均总厚11.1 m，其可采含煤系数为12.3%。C10 煤层局部可采，其余数层为不可采煤层。建立的三维数值模型如图2 所示。

图2 三维模型及地层分界

2.3 模型边界约束条件及力学参数

对于上述地层岩石性质，在计算过程中采用Mohr-Coulomb 本构模型。边界约束条件为模型两侧约束水平位移，底部约束垂直位移，地表为自由面。数值模拟相关参数通过参考以往与区域地质条件类似的相关工程中获取的岩体力学参数（表1）。

表1 矿区岩体力学参数

3 开挖过程与分析步骤

计算过程中首先对两煤矿2004—2013 年采用正规开采方法采矿的区域进行开挖，初步分析开挖后采空区对地表的影响。由于矿山停产7 年以上，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》［11］中按照终采时间对采空区场地稳定性等级划分的标准，对于停采时间大于730 d 以上的采空区，应着重分析采空区垮塌基本结束后引起上覆岩层的剩余变形情况。

高速公路工程规划中，两条选线分别有两处关键工程经过矿区范围，K 线的隧道A 及A 线的特大桥B，为了直观地反映煤矿地下采空区对地表的影响过程，数值模拟分成以下两个步骤：

1）分别在K 线左幅、A 线左幅主要桩号设置监测点，K 线监测点的标高位置为隧道底板的标高位置，A 线监测点的标高位置为大桥桥墩在地表位置，监测各点的X、Y、Z向位移。

2）根据监测点的位移变化确定采空区基本冒落完全的时间点，再根据相关规程计算岩体各项剩余变形数值，对照相关技术规范，得出采空区对两条线路的影响程度。位移监测点布置如图3 所示。

图3 位移变化监测点布置

4 计算结果分析

参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，地下开采对地表高速公路的影响程度由地表倾斜、曲率、水平变形3 项量化指标来进行判断。同时《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03—2011）［12］中对这3 项判定指标进行了详细规定。该研究按照此细则进行分析评价，具体变形值见表2。

表2 采空区地基容许变形值

4.1 剩余变形计算参数的选取

4.1.1 采空区地表剩余下沉系数的选取

采空区的地表剩余下沉变形是地表累积下沉变形的延续发展，其原理是煤层开采完毕后顶板逐渐冒落，破碎岩块间的缝隙在经过长时间后逐渐密实形成的。而采空区地表剩余下沉系数的取值由以下3 项参数确定：地表最终的极限下沉系数qM、充分采动条件下的地表实测下沉系数q、常规移动结束时间，即Δq=k（qM-q），式中k为残余变形时间影响系数，常规移动结束时间越长，k取值越大，反之越小［13-15］。

由于煤矿停产时间较长，地表最终的极限下沉系数qM根据国内其他煤矿相关研究经验取1，地表实测下沉系数q按覆岩岩性选取0.8，k取1，根据公式计算得出下沉系数为0.2。将地表产生的累积变形量与剩余下沉系数相乘，得出地表下沉的剩余变形量。

4.1.2 采空区地表水平移动系数的选取

根据类似工程的地表变形监测经验，在剩余变形期内，地表的移动变形形式主要是水平方向变形，剩余水平变形延续时间的长短与开采工作面推进速度、覆岩岩性、开采深度和方法等因素有关。在相同开采条件下，上覆岩层越硬、开采深度越大，剩余水平变形延续时间越长［16］。

采空区地表移动一般经历4 个阶段：初始期、活跃期、衰退期和剩余变形期，各时期的移动速度和移动量各不相同，其中前3 个时期的时间总和称为采动影响期。根据Saiustowicz 提出的动态水平动量计算公式，设采动影响期为T，采动影响的水平移动总量为U（T），剩余水平移动量［17］为

式中：U余为剩余水平移动量，mm/m；Umax为最大水平移动值，mm/m；C为埋深、岩性系数，一般取值范围为1.0～3.0；T为从移动变形开始到某一时间点时所经历的时间，a。

根据公式计算，剩余变形的水平移动系数为0.24，再通过累积变形的最大水平移动值乘以水平移动系数，得出水平移动的剩余变形量。

4.2 地下开采对高速公路关键工程的影响分析

4.2.1 地表剩余下沉变形分析

1）K 线隧道底板。K 线隧道底板Z方向剩余变形等值线如图4 所示。通过倾斜变形等值线可以看出，Y 煤矿范围内隧道底板位置的倾斜变形值为0.1～1.1 mm/m，曲率值小于0.1 mm/m2，均小于容许变形值。

图4 K 线隧道底板Z 方向剩余变形等值线

2）A 线特大桥。A 线地表Z方向剩余变形等值线如图5 所示。通过倾斜、曲率变形等值线可以得出，Y 煤矿矿界范围内A 线全路段倾斜变形值均小于0.1 mm/m，曲率均小于0.004 mm/m2，均未超过规程容许变形值。

图5 A 线地表Z 方向剩余变形等值线

4.2.2 地表剩余水平变形分析

1）K 线隧道底板。K 线隧道底板水平方向剩余变形等值线如图6 所示。通过隧道底板X、Y方向水平变形等值线可以看出Y 煤矿矿界范围内隧道底板X方向水平变形值在1.15～1.5 mm/m，未超过规程容许值，但K15+600 桩号附近隧道底板Y方向水平变形达到2～3.5 mm/m，超过规程容许变形值。

图6 K 线隧道底板水平方向剩余变形等值线

2）A 线特大桥。A 线地表水平方向剩余变形等值线如图7 所示。通过X、Y方向水平变形等值线可以看出，Y 煤矿矿界范围内A 线全路段X方向水平变形小于0.2 mm/m，Y方向水平变形值在0.3～0.4 mm/m，均小于规程容许值。

图7 A 线地表水平方向剩余变形等值线

4.3 地表影响范围的划定

对Y、D 煤矿煤层开挖进行数值模拟计算，对空区形成后的K 线隧道底板位置及A 线特大桥地表变形进行了综合分析。由于煤矿停产时间较长，根据相关规程可认定采空区顶板基本垮落完全。因此还需进一步对采空区上覆岩层后期可能产生的剩余变形影响进行分析。通过计算，K 线ZK15+520～ZK15+730 路段的水平变形仍超过了规程容许变形值，A 线全路段的水平变形、倾斜变形、曲率均小于容许变形值，安全性及稳定性较K 线好。变形曲线对照图如图8 所示。

图8 K 线、A 线水平变形、倾斜变形曲线与高速公路工程对照图

5 结论

1）根据现场勘察结合相关规范分析，两座煤矿2004—2013 年形成采空区，由于开采过程中采用陷落法管理顶板且采空区形成时间较长，顶板已基本垮落，但未能完全充实或处于半密实状态，采空区上覆岩层仍处于剩余变形期。剩余变形对地表高速公路工程的建设及运行仍会产生危害。

2）根据三维数值模拟计算结果分析，两条拟选线路中，K 线隧道部分路段下伏采空区垮落引起的剩余变形超出高速公路地基容许变形上限值，剩余水平变形值比规范容许变形值（2 mm/m）多75%，超标路段总长210 m，对隧道稳定性影响较大；A 线特大桥从煤矿工业广场保安煤柱上方通过，且距采空区较远，受采空区覆岩移动变形较小且其倾斜、曲率及水平变形均未超出规程容许范围。

3）根据A 线、K 线与煤矿的空间位置关系，结合2 条比较线路关键工程特点。A 线以桥梁的形式从Y 煤矿上方通过，桥梁下方ZK15+464～ZK15+513为矿山水平运输巷道，线路距采空区最短距离为186 m；K 线以隧道的形式从Y 煤矿矿界范围通过，其中ZK15+481～ZK15+642 段从煤矿采空区正上方通过，线路距采空区距离为60～166 m，考虑到K 线从煤矿采空区正上方通过，且采空区引起覆岩移动变形对隧道影响较为显著，2 条线路相比较，A 线安全性更有保障。

4）针对该工程的总结与建议：建议在A 线施工前进一步探明采空区及早期近地表民采采空区的分布情况。在对桥梁进行施工设计时，应尽可能使桥梁桩基避开民采空区。建议对A 线桥梁下方煤矿主运输巷道进行充填封堵处理，划定煤矿禁采区范围，禁止从事包括运输、行人等任何形式的采矿活动。