武云高速采空區(qū)保安煤柱留設技術研究

萬戰(zhàn)勝 楊 鋒 黃勇博

（河南省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450052）

1 項目概況

武陟至云臺山高速公路（以下簡稱武云高速）位于焦作市的修武、武陟縣境內(nèi)，項目所處地貌單元為黃河沖洪積平原和山前傾斜平原，地勢平緩，起伏較小。線路K30+950～K32+950總計約2公里為采空區(qū)，2014年3月前后正在開展施工圖階段采空區(qū)方案技術論證工作。該采空區(qū)段落四標施工單位已進場，段落內(nèi)的通道構筑物已陸續(xù)開工建設，部分構筑物已完成基礎施工，路基段暫未開工，目前已完成大部分清表工作。

2 留設保安煤柱的必要性

《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30－2004)第7.15.1條規(guī)定：在尚未開采的煤層分布區(qū)，高速公路應留設保護煤柱。《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03-2011）第5.6條規(guī)定：當公路下伏或臨近礦產(chǎn)資源將被開采時，應按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》的要求留設公路保護煤柱。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》第15條規(guī)定：在礦井、水平、采區(qū)設計時應劃定保護煤柱的建（構）筑物有高速公路、機場跑道等。《采空區(qū)公路設計指南》（送審稿）（主編單位：山西省交通規(guī)劃勘察設計院；參編單位：中交二院、中國地大(北京）、中交通力公司）指出：當公路建設不可避免的要壓覆礦產(chǎn)資源時，應預留保護礦柱。

圖1 K31+545～K31+700礦界保護煤柱壓覆范圍

路線K31+545～K31+700段落路區(qū)155m長，保護煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，東西向壓覆500m，南北向110m，資源壓覆估算參數(shù)回采率取90%，煤1.4噸每立方米，煤凈利潤300元每噸，路線壓覆煤量346 500噸，約10 395萬元。古漢山礦對K31+545～K31+700礦界保護煤柱有開采計劃（圖1），古漢山礦正在走報批開采手續(xù)，預計2015年開采。從公路安全角度考慮，開采將進行地下水大范圍抽排，煤層回采對趨穩(wěn)地層二次采動，引起地表變形指標超限，建議項目業(yè)主予以重視，從協(xié)調(diào)層面杜絕高速公路建設期與建成后線下保護煤柱范圍內(nèi)任何采礦活動。

K29+340～K30+950為古漢山礦儲煤區(qū)，煤厚5.0～5.6米，埋深556～884米，路線在古漢山礦工業(yè)廣場和李固村保護煤柱上通過，依據(jù)規(guī)范原則上不允許公路建成后出現(xiàn)影響線路安全的采掘活動。

K29+340～K32+950段落二1煤采空區(qū)和儲煤區(qū)下伏100米左右有2米厚一2煤賦存，目前不具有開采的技術經(jīng)濟條件，古漢山礦總工也明確這一點，依據(jù)相關規(guī)范在高速公路建成后原則上不允許公路建成后出現(xiàn)影響線路安全的礦層采掘活動。

3 回采對線路的危害性評價

3.1 影響路基承載力，破壞路面。路線K31+545～K31+700段落路區(qū)155m長，礦界防水煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，開采后建設場地將有非常顯著（1～3米）的地表沉降，在公路建成后也沒有可靠的工程措施能絕對預防這種巨量地表變形。煤柱的開采將造成擬建公路路基大范圍下沉，在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形，將引起路基本身松馳，還有可能在不同土質(zhì)界面上產(chǎn)生脫層，影響路基的承載力，加大地表的傾斜和拉伸變形，對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時反映到路面上將出現(xiàn)路面開裂等病害[1]。

3.2 影響公路線形及路面坡度，降低公路技術指標，易引發(fā)交通事故。采空區(qū)冒落塌陷的不連續(xù)與沉降，引起路基隨之產(chǎn)生下沉，使得路面的原有坡度出現(xiàn)變化。路基在下沉的同時，必然伴有水平方向的位移。垂直于路線方向的橫向移動將改變路基原有的方向，沿路基縱向的水平變形，會使路基受到拉伸和壓縮，上述兩種移動的不均勻性，會使高速公路坡度發(fā)生變化及豎曲線形態(tài)的變化和線路方向的改變等，嚴重時造成行車事故[2-4]。

K31+545～K31+700段落煤層采深采厚比大于40，地表出現(xiàn)不連續(xù)沉陷可能性不大，但是局部沉陷盆邊容易出現(xiàn)拉張裂縫，引起路面損害，從而降低道路行車技術指標，路基路面面臨隨開采活動影響下反復整修的長期運營壓力。

圖2 采空區(qū)地表移動延續(xù)時間

3.3 開采對通道構筑物結構造成危害。根據(jù)路線設計明確：K31+734.000(4X3.5m)鋼筋混凝土蓋板通道，地下520米深5米以上厚度的礦界煤柱開采，依據(jù)《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03-2011）圖 D.0.3(圖 2)推斷在開采后 6～7個月內(nèi)會引起地表1～3米的整體下沉，并伴有長期的殘余變形發(fā)生，過程將持續(xù)3～5年。地表下沉將顯著降低涵洞構筑物高程，沉降過程中結構物次生應力的不斷轉化調(diào)整，容易引起結構物開裂破壞，情況嚴重可能引起公路斷通，造成不良社會影響。

3.4 K31+545～K31+700段落路區(qū)155長，保護煤柱平均埋深420m，煤層平均厚度5m，其開采過程首先需要防治水，一般會抽排大量的老空水，吳村煤礦本已是沉降穩(wěn)定的采空區(qū)，可能因大范圍地下水的抽排，活化地層結構，引起大范圍吳村老采空區(qū)地表不穩(wěn)定變形與地層固結沉降，擴大采動影響范圍，造成大段落不合格路基出現(xiàn)，技術風險難以控制。

4 回采后路線方案對策研究

4.1 2014年1月22日電話調(diào)查古漢山礦區(qū)主管領導確認焦煤集團正在研究保護煤柱的開采技術方案，并已上報國土資源廳待審批中，預期2015年開始回采礦界煤柱，建議項目業(yè)主盡快介入此事，確保跟礦區(qū)協(xié)調(diào)落實K31+545～K31+700段落礦界煤柱禁采事宜，保證高速公路項目建設安全。

4.2 在協(xié)調(diào)過程中，建議與礦企建立長效技術合作機制，協(xié)助項目設計與建設單位能夠獲得礦企詳細有關保護煤柱的地質(zhì)與采礦資料，以便開展保護煤柱開采相關課題的研究工作。

4.3 K31+545～K31+700段落礦界煤柱的開采，對大采深采空區(qū)也難有可靠技術措施完全杜絕對線路的不良影響，能開展的工作是執(zhí)行嚴密的地表變形監(jiān)測方案，結合礦區(qū)地下開采進程及采動程度，對線路采取定期維護對策。在新修高速公路的定期維護過程中，需提前從政治、經(jīng)濟和技術等多方面做好對策預案，以免新建高速剛通車因地下回采引起路基沉降等病害在社會上產(chǎn)生不良影響。

5 結語

高速公路穿越儲煤區(qū)的建設問題，涉及到采煤、采空沉陷、路基路面、橋涵加固、結構糾偏、變形監(jiān)測、運營維護等多學科知識體系，綜合性強，技術難度大、風險高，決策困難。目前的國內(nèi)規(guī)范規(guī)程都用簡單的保護煤柱留設應對，但是該方法又大范圍壓覆煤炭資源，切割煤田開采工作面，嚴重影響煤田正常生產(chǎn)與企業(yè)效益。該問題可行的技術研究方向是對采礦與公路建設開展聯(lián)合設計工作，目前國內(nèi)在這方面還沒有開展相應的工作，設計規(guī)范的限制與行業(yè)利益的交織及行業(yè)體制原因制約了該技術方向的發(fā)展，這也是目前該領域最有價值的發(fā)展方向，建議行業(yè)同仁積累經(jīng)驗，共同推動行業(yè)進步，最大化地提高國土資源利用效益。

[1]孫忠弟.高等級公路下伏空洞勘探、危害程度評價及處治研究報告集[R].北京：科學出版社，2000.

[2]杜廣印，童立元，劉松玉.高速公路下伏多層煤礦采空區(qū)處治方法研究[J].東南大學學報，2001，31（3）：115～118.

[3]朱金寶，郝志東，張引良等.采空區(qū)探測及其處理[J].露天采煤技術，2002(3)：39-40.

[4]計中彥.隧道采空區(qū)處理技術探討[J].交通標準化，2013(15)：62-64.