高速公路下伏煤矿采空区变形分析及处治

任胜伟，王 刚，周静利

（河南省新豫地质工程勘察院有限公司，河南 郑州 450053）

煤矿采空区是指在煤矿开采作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔，经过一段时间后会形成塌陷，引发地表沉降[1]。高速公路属于等级最高的干线公路，对路基沉降变形的控制要求非常严格。随着我国经济建设和交通运输行业的快速发展，新建高速公路不可避免要通过已有的煤矿采空区上方，在采空区没有达到稳沉条件情况下，需要采取处治措施，以保证高速公路建设和运行的安全。

焦唐高速汝州至方城段起于汝州市，向南经过平顶山市汝州市、宝丰县、鲁山县、叶县和南阳市方城县，终点在南阳市方城县，总长度100.528km。其中汝州至方城段（桩号K18+500～K22+300）及张八桥互通A/G/I/F四条匝道下方分布有原荣发煤矿、苗李煤矿（包含平丰煤矿）、金裕煤矿（包含金豫煤矿）、外窑煤矿及外窑联办煤矿的采空区。这些煤矿的开采历史和开采方式复杂，地质条件变化大，不确定因素多，严重影响高速公路的建设及运营安全。需要详细查明该路段下伏的煤矿采空区分布情况及特征，科学评价其稳定性，预测残余沉降量，并提出合理的处治措施。

1 煤矿地质与采矿特征

焦唐高速汝州至方城段煤矿采空区主要分布在K18+500～K22+300 路段之间，地貌单元属于丘陵。场地地层自下而上包括：上寒武统崮山组（∈3g）、上石炭统本溪组（C2b）、太原组（C2t）、下二叠统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、第三系（R）、第四系（Q），其中含煤地层为上石炭统太原组、下二叠统山西组、下石盒子组。区内水文地质条件较为复杂，地下水类型为砂岩裂隙水和灰岩岩溶承压水，其中灰岩岩溶承压水，水压高，水量丰富，对采空区稳定性影响大。

经调查发现：荣发煤矿、苗李煤矿主要开采二1、一4煤层，走向54°左右，倾向324°左右，倾角2°～7°，厚度4.4～6.8m，受断层影响，区内二1煤层底板标高-20～123m，煤层埋深20～230m，断层北部煤层埋深较深，南部埋深较浅，二1煤层下距石炭系上统太原组灰岩6～8m，煤层顶底板主要为泥岩和砂质泥岩。煤矿采煤方法采用走向长壁式采煤法，全部垮落法顶板管理。裕兴煤矿开采煤层为山西组二1煤层，煤层厚度4.24～6.60m，煤层倾角5°～12°，埋藏深度110～190m，煤层顶底板为砂质泥岩。采用一对立井开拓井田，柱式采煤方法，爆破落煤，人工装运。外窑煤矿开采二1煤层，厚1.12～1.85m，埋深5.0～140.0m，煤层顶底板为砂岩和砂质泥岩。采用竖井开拓，走向长壁式采煤方法。

2 煤矿采空区分布及变形特征

经资料收集、地质调查与测绘、物探探测、工程钻探验证，该段高速公路沿线采空区分布见表1。其中影响互通立交的采空区为2003 年以前形成，其他主要路基下伏采空区形成最晚时间不迟于2010年。其中互通立交下伏采空区埋深在150～220m，主要路基段的采空区埋深主要在60～170m。

表1 采空区影响主线区段分布表

采空区专项勘察结果表明采空区深度50～220m，厚度0.7～5.0m，煤层较厚。采空区的充填情况一般，全部自然垮落，在煤矿开采期间曾经发生过明显的地面塌陷，并造成地面裂缝。根据本次长达6个月的地表变形监测（见图1、图2），其中本测区水平位移最大累计位移量为8mm（移68 点），X方向5mm（向北偏移），Y方向3mm（向东偏移），平均沉降速率为0.05mm/d。目前沉降位移单点最大累计沉降量为8.73mm（沉317点），平均速率为0.07mm/d。

图1 水平位移

图2 垂直沉降

3 煤矿采空区对拟建公路工程危害程度的评价

3.1 评价标准

根据技术细则[2]进行场地等级划分。首先依据工作面的停采时间初步确定采空区的稳定性，再结合场地剩余变形量的预计值，进行定量判定[3-4]，评价标准见表2。采空区上覆高速公路地基允许变形值规定如下：路基倾斜值i≤4.0mm/m,水平变形值ε≤3.0mm/m，曲率值K≤0.3mm/m2；桥梁简支结构倾i≤3.0mm/m,水平变形值ε≤2.0mm/m ，曲率值K≤0.2mm/m2，非简支结构倾斜i≤2.0mm/m,水平变形值ε≤1.0mm/m，曲率值K≤0.15mm/m2。

表2 采空区场地稳定性等级评价标准

3.2 地表变形预测计算

地表移动变形预计法是根据地质、采矿条件计算出采空区上方地表的移动变形值，按照公路工程允许的地表变形值，评价采空区场地稳定性和路基稳定性[3-4]。根据本段高速公路下伏煤矿矿层的地质条件及开采状况，选用缓倾斜矿层（α＜15°）充分采动情况下非半无限地表移动与变形计算模式。

最大下沉量：

Wcm=Mqcosα

式中：q——下沉系数；

M——采厚。

最大倾斜量：

式中：r——地表主要影响范围半径，其值与埋深（H）成正比，与煤层影响角（β）的正切值成反比，及r=H/tanβ。

最大曲率值：

最大水平变形值：

最大水平移动值：

式中：b——水平移动系数。

上式中q的确定是关键，其取值与矿层倾角、开采方法和顶板管理方法均有关，国内这方面的研究不多，尚未形成系统资料，规范中根据采空区上覆岩层的软硬程度给出了一个经验范围值，结合地区经验下沉系数q取值为0.7，本次根据钻探揭露地层情况，剩余孔隙率取值10%。

根据上述采空区地表残余变形计算结果，对各煤矿采空区残余沉降和变形进行预测计算，计算结果见表3。分析计算结果可知，在拟建工程张八桥互通立交匝道处采空区地表残余变形下沉最大值为179.0mm，倾斜最大值为7.91mm/m、水平变形最大值为3.61mm/m、曲率最大值为0.114mm/m2。张八桥互通立交匝道处采空区预测残余变形超过了采空区公路地基的允许变形值要求，综合判定场地为欠稳定，其他路基段采空区为基本稳定。

表3 沿线各矿采空区地表剩余变形量计算表

4 采空区处治

焦唐高速公路下伏采空区埋深较大，且开采后发生了明显的垮落，采空区充填程度一般，下部空间相对狭小，无法采用开挖回填、干砌或浆砌支撑及桩基等方案[5]。依据采空区特征、残余变形量及拟建工程对变形控制要求等因素，综合确定采用注浆处治方案。用人工的方法向采空区的冒落带和裂隙带压注入具有充填、胶结性能的浆液材料，以便充填裂隙和空洞，并固结地基岩土体[6]。

根据采空区场地的稳定性评价结论及采空区公路的等级、工程结构与类型，结合残余变形预测结果，确定有针对性的处治方案。张八桥互通立交采空区属于欠稳定，建议采用注浆处治措施，桥梁宜采用简支结构。路基段下伏采空区为基本稳定，虽局部地段地表变形量接近或略大于公路工程的允许变形值，但综合考虑项目的工期要求及经济可行性，不进行注浆处治，而采用对上部加铺土工材料增加抗变形能力并强化防排水的综合处治措施。

5 结论

（1）焦唐高速汝州至方城段下伏煤矿属中小煤矿开采，煤层相对较厚，采空区上覆岩性及力学性质、矿层倾角、地质构造、矿层埋深、开采厚度等条件较复杂，采空区顶板管理方式、采深采厚比、终采时间等开采条件变化较大，地表存在非连续变形特征，局部采空效应明显，应确定不同的处治措施。

（2）张八桥互通立交匝道处采空区处于欠稳定状态，预测计算的采空区残余变形量超过了公路地基的允许变形值要求，对其施工及安全运营潜在危害大，需要采取注浆处治措施。使得采空区恢复到接近原始岩体状态，彻底消除采动后破碎岩体的移动变形空间，达到公路施工安全的目的。

（3）根据焦唐高速汝州至方城段公路路基段下伏采空区处于基本稳定状态，通过采取简易的抗变形设计即可保证公路的运营安全，采用在路基中加铺土工格栅的方式以提高路基的抗变形能力，以规避潜在威胁。