陽城至蟒河高速公路下伏采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

常文偉

（山西路橋集團(tuán) 陽蟒高速公路有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西省是煤炭資源大省，改革開放以來累計(jì)產(chǎn)出原煤百億噸，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的能源保障。煤礦開采方式多樣，產(chǎn)生的采空區(qū)分布范圍廣，地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的加速實(shí)施，山西省許多地方修建高速公路都不可避免地要通過采空區(qū)。采空區(qū)不良地質(zhì)問題已經(jīng)成了困擾山西省高速公路建設(shè)的難題之一，在很大程度上阻礙了山西省高速公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

大量學(xué)者對(duì)高速公路穿越采空區(qū)的問題進(jìn)行了研究[1-5]，但由于不同礦區(qū)的地質(zhì)條件不同且差異較大、采空區(qū)影響高速公路的范圍不同、采空區(qū)上方的公路基礎(chǔ)設(shè)施類型不同，因此，為了保證穿越采空區(qū)公路的運(yùn)營(yíng)安全，應(yīng)針對(duì)不同地質(zhì)條件、不同開采方式的采空區(qū)進(jìn)行具體的研究和分析。

陽蟒高速位于山西省晉城市陽城縣境內(nèi)，作為陽城至濟(jì)源高速公路的重要組成部分，是山西省與河南省對(duì)接的省際公路通道之一。在前期工程地質(zhì)勘察中，發(fā)現(xiàn)陽蟒高速設(shè)計(jì)路線在多處穿越采空區(qū)，對(duì)采空區(qū)上方的擬建路基、橋梁、邊坡等造成了威脅。本文在充分掌握采空區(qū)路段地質(zhì)條件、開采方式、采深、采厚、回采率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 陽蟒高速公路煤礦采空區(qū)分布情況

通過資料搜集、調(diào)查與實(shí)測(cè)、物探與鉆探等手段，探明沿線涉及到的煤礦有3座，分別為西河煤業(yè)演禮煤業(yè)采空區(qū)、西河煤業(yè)采空區(qū)、村辦小煤窯采空區(qū)，其具體分布情況及參數(shù)見表1。

表1 陽蟒高速采空區(qū)分布情況表

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)變形是一個(gè)復(fù)雜長(zhǎng)期的過程，采礦條件、地質(zhì)條件、開采時(shí)間、開采規(guī)模等多種因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。參照工程實(shí)踐和煤礦地表移動(dòng)變形觀測(cè)資料，綜合各種因素，采空區(qū)地基穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、開采方式、采深、采厚、開采時(shí)間等多種因素影響，因此，對(duì)于房柱式開采非充分采動(dòng)條件下，采空區(qū)的穩(wěn)定性采用采深采厚比的參數(shù)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于巷道式開采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

經(jīng)調(diào)查訪問、鉆探，在西河樞紐巷道采空區(qū)、中寨大橋及北梁大橋下存在巷道式采空，采用極限平衡法計(jì)算，按松散巖體計(jì)算。

松散巖體計(jì)算公式：

式中：B為采空區(qū)巷道寬度，m；p0為公路路基基底壓力，包括行車荷載及路基、路面荷載，kPa；γ為上覆巖層加權(quán)平均重度，kN/m2；φ為上覆巖層加權(quán)平均內(nèi)摩擦角，（°）。

對(duì)比采空區(qū)的實(shí)際埋藏深度及臨界深度，按式（2）可求得采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)Fs，按照采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則評(píng)價(jià)小窯采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性。

式中：H為巷道頂板的實(shí)際深度，m；Hcr為巷道頂板的臨界深度，m。

2.1.1 西河煤業(yè)下方巷道

該區(qū)微地貌為黃土陡坡和沖溝，巷道位于地表下埋深125～180 m，上覆巖土層平均厚度24 m，基巖平均厚度126 m。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，松散土層的重度取值18.6 kN/m3，巖石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 γ=（18.6×24+27.5×136）/160=26.2 kN/m3，p0=50 kN/m2。巷道底板標(biāo)高均為620 m，巷道高度均為4.3 m，其中巷道寬度均為7 m。

代入式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，可得 Hcr=38.27 m，巷道頂板位于路線設(shè)計(jì)標(biāo)高下120～160 m，穩(wěn)定系數(shù)Fs=3.1～4.2，根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，巷道對(duì)高速公路的穩(wěn)定性無影響。

表2 單一巷道式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 中寨大橋

該區(qū)微地貌為黃土陡坡和沖溝，巷道位于地表下埋深130～153 m，采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下135～153 m，上覆土層平均厚度24 m，基巖平均厚度111 m。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，松散土層的重度取值18.6 kN/m3，巖石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 =（18.6×24+27.5×111）/135=29.52 kN/m3，p0=150 kN/m2。 巷 道 底 板 標(biāo) 高 均 為620 m，巷道高度均為3 m，其中巷道寬度均為5 m。

代入式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，可得 Hcr=30.9 m，巷道頂板位于路線設(shè)計(jì)標(biāo)高下100～153 m，穩(wěn)定系數(shù)Fs=3.2～4.9，根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，巷道對(duì)高速公路的穩(wěn)定性無影響。

2.1.3 小窯采空區(qū)

該采空區(qū)上方公路設(shè)施類型為大橋，上覆巖土層平均重度 γ=（18.6×5+27.5×15）/20=25.28 kN/m3，p0=150 kN/m2，路線下巷道拐角處寬度為3 m，代入式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，可得Hcr=20.2 m，地面與巷道頂間距平均H=20 m，穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.98，根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此巷道不穩(wěn)定，對(duì)樁基礎(chǔ)的橋梁有較大影響。

2.2 房柱式開采穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

西河煤業(yè)和演禮煤業(yè)均為房柱式開采，采用采深采厚比的參數(shù)對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 不規(guī)則柱式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

西河煤礦采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下46～180 m，采厚4.3 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高下采深采厚比11～42，上部為中硬覆巖，因此不穩(wěn)定。演禮煤礦采空區(qū)位于地表下埋深 81～161 m，采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下 46～102 m，采厚4.3 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高下采深采厚比11～24，上部為中硬覆巖，因此為不穩(wěn)定。

3 結(jié)論與建議

本文在充分掌握采空區(qū)路段地質(zhì)條件、開采方式、采深、采厚、回采率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)陽城至蟒河高速公路巷道式開采和房柱式開采兩種類型的采空區(qū)分別進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。巷道式開采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行評(píng)價(jià)，房柱式開采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用采深采厚比進(jìn)行評(píng)價(jià)。

西河煤業(yè)和中寨大橋下方巷道式采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，小煤窯巷道式采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)對(duì)上方擬建的樁基礎(chǔ)橋梁產(chǎn)生影響。西河煤業(yè)和演禮煤業(yè)房柱式采空區(qū)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。