采空區路基變形基本特征及其影響因素分析

要海亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

采空區是人為開采礦產資源或者天然地殼運動形成的“空洞”[1]。地下采空區空間具有分布特征規律性差，隱伏性較強，頂板部位的強度情況預測困難等特征[2]。公路工程建設中，當道路穿過采空區時，路基下伏采空區對路基穩定性能就會造成一定的影響。公路采空區的處理方法主要是通過注漿法進行加固[3]。對路基下伏采空區進行穩定性分析評價及沉降預測十分重要[4]。因此，有必要對采空區路基變形的特征和影響因素進行深入分析探討。筆者以山西某公路下伏采空區為例，從采空區覆蓋巖層破壞情況、路基變形特征等方面分析變形基本特征。然后通過ANSYS軟件模擬分析開采寬度、開采深度、煤層傾角以及煤柱預留等4個方面對地表沉降的影響，進而分析路基的穩定性能。

1 采空區路基特性

1.1 采空區覆蓋巖層特性

完整的地殼結構通常處于實體飽滿狀態，在地下煤層開采過程中，由于內部部分空間失去支撐作用使得周圍的巖體原有的應力平衡狀態受到破壞，引起應力集中或者應力重新分布[1]。此時，當地下煤層被開采結束后，采空區上部覆蓋巖層的應力超過巖體自身強度就會使其形態產生各種變形和移動等。如圖1所示，采空區上部覆蓋巖層主要分為3個部分，最上面部分是彎曲帶，在垂直方向上，巖層的初始應力作用引起的變形，這種變形規律而且連續；深入巖層內部就是裂隙帶，裂隙帶的產生是由采空區應力空缺間接導致，在巖層壓力作用下產生裂隙，裂隙的類型大多為豎向，而且連續性較差；與采空區直接接觸的部位是冒落帶，嚴格意義上講，冒落帶的破碎落石會將采空區孔洞部位填充，但是這種填充存在許多空隙，形成新的堆積巖層，從力學角度看，由于上部彎曲帶和裂隙帶巖層對冒落帶有壓實作用，冒落帶的豎向力學性能優于橫向力學性能。

圖1 采空區覆蓋巖層破壞特性

處于采空區彎曲帶范圍內的路基穩定性和變形特性直接受到開采的影響。在開采初期，冒落帶尚未立即形成，煤層開挖后留下的采空區仍然處于應力缺失狀態，上方路基填筑材料的自重又給采空區頂板增加了附加應力作用，使得變形沉降加劇，當冒落帶形成之后，碎落巖體逐漸填充采空區空間，由于巖體之間存在的間隙較大，在圍壓作用下進一步變形，進而引起上部裂隙產生，覆蓋巖體發生彎曲變形，引起地表沉陷。

1.2 采空區頂板力學性能

采空區頂板的力學性能是影響路基變形形式和變形量的直接因素，根據山西省某公路下伏采空區的實際情況，為詳細分析各巖層的力學性能以及地質條件，通過鉆孔提取采空區頂板承載芯樣，測試力學性能的物探方法對采空區頂板進行探測。圖2為鉆探深度小于30 m的芯樣。

圖2 采空區頂板小于30 m巖石鉆探取樣

除去上覆土層后，如圖2a中，巖層在10 m內時，巖石顏色較淺，巖石主要為局部粗砂巖、粉砂質泥巖，深度接近30 m時，主要為炭質泥巖，顏色較深。隨著深度的增加，巖石類型逐漸發生變化，如圖3所示，深度大于30 m后，各深度巖石鉆探取樣，在35 m左右位置，如圖3a中，已經出現厚度較薄的煤層，接著巖層逐漸發生變化，在鉆探深度達到50 m左右時，如圖3b中，出現以炭質泥巖和粉砂質泥巖為主的巖層狀態。這就說明采空區頂板巖層結構比較復雜，在實際工程中需要根據實際情況進行處理。

圖3 采空區30～57.8 m巖石鉆探取樣

采空區上部覆蓋巖層與路基直接接觸，其物理力學性能是影響路基穩定和變形特性的直接因素，覆蓋巖層的變形牽連作用引起路基發生不同程度的變形。根據鉆探試樣，分別對距離表層5 m、20 m、57.8 m以及煤層的密度、內摩擦角、彈性模量、泊松比以及抗壓、抗拉、抗剪強度進行檢測。測試結果如表1所示。

表1 采空區巖層力學性能測試結果

根據試驗測試結果，隨著鉆探深度的變化，由于上部巖石地質狀況復雜，其物理力學特性都存在一定差異，距離表層5 m處的力學性能最好，距表層20 m位置的強度不及深度更大的57.8 m，這是因為在20 m位置，巖石大多屬于炭質泥巖，與下部較薄的煤層接近。相比之下，煤層的密度最小，力學性能最差，這也是煤層易于開采的原因之一。即便如此，由于受到3個方向約束力的作用，內部煤層的存在對上部巖體結構變形的抑制作用是相當大的。未采空區域和未開采區域的力學性能和沉陷變形特性差異十分明顯。

1.3 路基變形特征

a）公路路基處于不同的位置時，其受到采空區變形影響效果不同。如圖4a所示，當路基整體處于采空區中間區域范圍內時，路基發生的整體沉降量最為明顯，從路基自身看，中部沉降量略微大于邊緣沉降量，然而不均勻沉降卻相對較小，路基的左右兩側在彎曲作用下會產生壓應力，進而引起路基或者路面隆起變形。

b）在圖4b所示的情況中，當路基處于采空區邊緣時，由于地表發生的沉降量不同，靠近采空區一側的路基發生的變形比較大，遠離采空區的一側產生的沉降量則相對較小，路基在此情況下各個部位的沉降差異較大，路基不均勻沉降導致內部應力狀態發生變化，此時，路基有向采空區一側發生傾斜的趨勢，也有向采空區一側發生整體滑移的跡象。

圖4 采空區路基沉降的影響

c）一般情況下，采空區上的覆蓋巖層厚度越小，路基產生的沉降量就會越大，巖層厚度越大，沉降量就越小，進而引起的路基變形量也較小。此外，彎曲帶的力學性能和抗彎拉變形特性越差，那么其引發的變形量就會越大，路基產生的沉降量就越大，路基處于不同位置下地表變形量的不同影響其穩定性能和變形性能。

d）對于處于采空區中心的路基而言，在彎曲變形過程中，如圖4a中，路基兩側會產生指向路基內部的擠壓應力，當路基兩側的擠壓應力過大時，會引起路基和路面向上凸出隆起或者起伏不平。處于采空區邊緣的路基需要承受水平拉應力作用，如圖4b所示，處于采空區邊緣的路基在不均勻沉降作用的影響下，靠近采空區一側會產生背離路基內部的拉應力，當拉應力超過了路基填筑材料的極限抗拉承載力的情況下，路基會產生裂縫。

2 路基變形影響因素

采空區路基變形的影響因素主要包括開采寬度、煤層深度、預留煤柱以及煤層傾角[5]。根據實際情況，采用ANSYS軟件模擬各個因素變化對路基沉降變形的影響效果進行分析。

2.1 開采寬度的影響

分析模型設置228個單元，259個節點，在100 m×200 m范圍內開采厚度為5 m，寬度分別為25 m、50 m、75 m三種工況下的地表變形量進行分析，不同開采寬度對地表沉降量的影響如圖5所示。以地表變形評價路基變形特征。

圖5 開采寬度對地表沉降的影響

從圖5中分析結果可知，采空區的開采寬度越大，對地表沉降變形越明顯，當公路路基整體位于沉降區域范圍內時，整體沉降越明顯。由于采空區路基變形受到煤層開采方式和開采面積的影響，一般情況下，充分采動作用造成周圍巖體的破壞比非充分采動更為嚴重，開采的面積越大，對路基變形和穩定性的影響越大，開采深度相同的情況下，采寬越大，其影響范圍越廣，采寬為75 m時，地表最大沉降量達到了2.25×10-2mm。此外，開采方法的不同也會造成不同影響，通常，懸臂式采煤法在巖體內部主要引起斜向破壞，全部垮落法則會引起路基整體沉降。

2.2 煤層深度的影響

研究煤層埋深對路表穩定性能的影響時，建立100 m×200 m分析模型，網格劃分中設置192個單元，223個節點，開采深度分別選取20 m、40 m、60 m進行分析。煤層埋置深度對路標變形的影響作用變化曲線如圖6所示。

圖6 煤層埋深對地表沉降的影響

煤層開采深度和厚度是引起采空區覆蓋巖層發生破壞的根本原因之一，開采厚度越大，影響越嚴重，開采深度越淺，影響越明顯，當深度大于150 m時，影響甚微[4]。從圖6所示的分析結果看，開采深度越小，對地表產生的沉降影響越大，采深為20 m時，最大地表沉降達到6.8×10-3mm，但是其帶來的橫向影響范圍相對較小，沉降量超過5×10-3mm的僅有40 m，而對于開采深度為40 m和60 m的情況，雖然最大沉降量不及開采深度為20 m的，但是其橫向影響范圍相對較大，幾乎已經超過了120 m。

2.3 預留煤柱的影響

預留煤柱的數量和大小都會對地表沉降變形造成影響。分析模型尺寸寬度為200 m，高度為100 m，開采寬度均設置為50 m，模型網格劃分成571個單元，節點數為621對地表沉降進行分析。在此情況下對未預留煤柱、預留1根煤柱以及預留2根煤柱3種情況下在200 m橫向范圍內分析地表沉降如圖7所示。

圖7 預留煤柱對地表沉降的影響

根據圖7所示的分析結果，預留煤柱的數量直接影響地表的豎向變形量。預留2根煤柱時，地表沉降量最小，其最大沉降為不留煤柱的1/2，未預留煤柱的最大沉降量達到1.45×10-2mm。隨著預留煤柱數量的增加，地表產生的豎向位移逐漸減少，但是，是否預留煤柱以及預留煤柱的數量多少對采空區上部覆蓋巖層產生的橫向變形范圍沒有十分明顯的影響。然而，地表變形的集中程度較高同樣不利于地面和路基的穩定。

2.4 煤層傾角的影響

根據實際情況，建立x正方向200 m，y正方向100 m的模型，并將模型劃分為222個單元體，共計253個節點，將開采厚度設置為5 m，然后在開采寬度為50 m時對煤層的傾度分別為0°、30°、60°的情況分析煤層傾角對地表沉降量大小和范圍的影響，分析結果如圖8所示。

圖8 煤層傾角對地表沉降的影響

圖8曲線顯示，煤層傾斜角度越大，采空后對地表的影響越明顯，豎向位移量越大，傾角為0°時，采空區中心位移最大，橫向影響范圍超過100 m，傾角為30°時，沉降較0°小，影響范圍縮小，順延煤層方向，沉降不均勻變化。傾角為60°時，沉降最小，在開采范圍內，沿傾角方向，沉降量逐漸減少。說明隨著煤層傾角的增大，地表沉降量減小，對采空區上部巖層和路基穩定性更為有利。

3 結語

通過對采空區路基變形基本特征以及山西某公路下伏采空區的上部覆蓋巖層破壞特性、路基變形特征以及影響路基沉降變形的因素分析得出：

a）采空區引起巖體應力重分布導致上部覆蓋巖層冒落帶碎落、裂隙帶開裂以及彎曲帶彎曲最終導致路基變形。

b）路基處于采空區中心時會整體沉降，兩側產生壓應力導致路面隆起，路基處于采空區邊緣時不均勻沉降，產生拉應力引起路基開裂或滑移。

c）采空區路基沉降量影響因素主要有開采寬度、煤層深度、預留煤柱以及煤層傾角4個因素。

d）開采寬度越寬、深度越淺、預留煤柱越小、煤層傾角越小對路基沉降越不利。