新建公路下伏某煤礦采空區穩定性評價

魏 建 柄

(陜西鐵道工程勘察有限公司,陜西 西安 710043)

1 概述

隨著我國高速公路建設的迅速發展，難免會出現新建高速公路布設在采空區地表的情況，而下伏采空區的非均勻沉陷極可能導致高速公路產生變形裂縫、地表隆起、傾斜、扭曲塌陷等危害，嚴重影響公路工程的安全性，因此對新建高速公路下伏采空區進行穩定性評價，并根據分析結果采取進一步的處理措施是尤為必要。

2 地質概況

項目區位于呂梁晉西黃土高原，區內山體眾多、地形起伏，呂梁地區是一個被黃土覆蓋著的山地高原，屬于黃土高原的一部分。區域內地貌主要以黃土梁峁和低中山為主，局部有小范圍的山間谷地和河谷區。地勢上總體呈西北低、東南高。項目區上覆厚約10 m～80 m的黃土；下伏二疊系下統山西組和石炭系上統太原組地層，為主要含煤地層。

3 采空區概況

3.1 概況

線路沿線共分布多座煤礦，目前基本處于停產—半停產狀態。沿線部分區域地表可見大量的地裂縫、塌陷坑，地裂縫走向無規律。根據收集的資料和現場訪問結果推斷：在裂縫區域開采煤層為4號、6號和10號煤層，裂縫發展較快，附近村莊房屋開裂嚴重，當地政府已組織完成搬遷。

現場收集到的資料主要為煤層采掘工程平面圖，不能完全反映煤礦采空區的現狀；現場走訪，說法不一，可信度較低。根據調查，當地煤礦在完成重組后，均采用長壁式開采方式，并對原有的小煤窯區域進行了回采，回采率達到80%，機械開采完成后，并沒有留保安煤柱，而是任其坍塌，故目前下井測量及調查無法進行。

因此，現場決定在野外調查和現場訪問的基礎上，結合物探測試和工程鉆探的方式探明采空區分布。物探測試主要置于地面變形嚴重的區域，對物探異常點處采用鉆探進行了驗證。

3.2 采空區勘察

1)地質調查。

野外地質調查顯示，本區地貌單元為黃土梁峁區，地表地形溝壑縱橫，地表覆蓋10 m～80 m黃土，區內主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組地層，地層走向大致為北東～南西向，傾向西傾，地層傾角一般為5°～20°。4號煤層位于山西組下部，本區主采煤層之一，煤層厚度0 m～2.5 m，平均1.3 m，煤層層位相對穩定，厚度變化稍大，局部出現不可采區，厚度小，4號煤層屬全礦區可采的相對穩定煤層。煤層頂板巖性以砂巖、頁巖和泥巖為主，底板以砂巖、頁巖、砂質頁巖、泥巖為主，屬于軟弱～中等堅硬巖石。

2)物探勘察。

在收集資料、調查訪問的基礎上，布置了物探測試，結合工點設置，物探主要置于地面變形嚴重的區域，對物探異常點處采用鉆探進行了驗證。地球物理勘察主要采用高密度法和大地音頻電磁法(EH4)。根據物探測試結果，推斷在里程K18+200～K18+467和K18+992～K19+060段存在4號煤層采空區，在里程K18+467～K18+992段推斷為4號煤層采空塌陷區。具體可見圖1。

3)鉆探及測試。

根據物探測試結果：K19+000～K19+060段在4號煤層埋深附近，電阻率等值線雜亂，電阻率值相對較高，推斷該段為4號煤層采空區，鉆孔CKZ-1(ZK18+260)和Z-1(ZK19+040)發現4號煤采空區，說明物探、調查、鉆孔資料三者基本吻合。

4 采空區穩定性評價

依據收集的煤礦開采平面圖及剖面圖，線路在ZK18+200～ZK19+160段以路基通過4號煤采空區，埋深100 m～130 m，地面標高1 120 m～1 170 m，路基標高1 140 m～1 160 m，開采時間1995年—2008年，開采方式為綜采。結合收集到的資料和采空區地質調查，依照JTG/D 31—03—2011采空區公路設計與施工技術細則關于采空區穩定性分析與評價的評判標準，對ZK18+200～ZK19+060段采空區場地穩定性評價如下。

4.1 根據開采條件判別采空區穩定性

根據開采條件評價應綜合考慮采深采厚比、回采率、停采時間及上覆巖層性質等進行綜合判定；采空區上覆黃土及砂巖夾泥巖，屬于軟弱～中硬覆巖，停采時間8年左右，回采率50%以上，采深采厚比為55～108,地表有變形，屬于欠穩定～基本穩定。

4.2 采用地表移動變形預計法

考慮到本采空區為老采區，變形基本穩定，但修建公路后產生的附加應力容易產生附加沉降，故根據勘察成果中地面變形特點、開采時間、采空區規模、采空區冒落情況以及工程設置來綜合考慮采空區的剩余變形率，剩余變形率取0.1。本段最大下沉量為1 418 mm，剩余最大下沉量為142 mm，傾斜值2.8 mm/m，水平變形值1.08 mm/m，地表曲率0.086 mm/m2，本段采空區處于基本穩定狀態。

4.3 煤礦采空區空洞體體積估算

煤礦采空塌陷區的空洞體積估算，在公路軸向上以采空塌陷范圍為界，公路橫向上的寬度以公路兩側邊坡坡角或坡口外延10 m為起點，向兩側以70°煤層應力擴散角來考慮地表的變形范圍。通過計算該煤礦煤層采空區剩余空洞體積如表1所示。

綜上所述，ZK18+200～ZK19+060段采空區屬欠穩定～基本穩定場地。

5 治理方案簡述

參考山西及陜西已建成的公路對煤礦采空區設計和采空區治理經驗，結合本工程的具體特點，建議采用地面全充填壓力注漿法相結合治理煤礦采空區，地表裂縫和塌陷坑根據實際情況采用灰土夯實或換填。

表1 煤礦采空區剩余空洞體積一覽表

6 結論與建議

1)K18+200～K19+060段采空區影響路基的穩定性，在采取必要處理措施后，建議線路以路基的形式通過，路基的柔性結構基本上能適應采空變形的應變需要。

2)本次采空區勘察采空區上方高壓線路較多，造成物探數據采集失真；地形起伏大，采空區埋深大，物探探測精度受到較大影響。下一步將采用瞬變電磁法，大地電磁(V8)，地震法和微重力法等多種物探方法進行測試，并對物探異常區進行鉆探驗證，進一步查明采空區分布情況。

3)該煤礦在整合前，為私人開采，造成部分資料缺失；由于20世紀80年代為巷道式開采，采出率較低，后經長壁式開采，回采率較高，但實際的回采率及采空分布與煤礦提供的井下圖可能有一定的出入。

4)為了保證礦區路線的勘察設計文件達到應有的效果，路線通過煤礦地段應在設計計算的基礎上保留足夠的保安煤柱；建議依據有關法律，與煤礦方交涉，對線位區下方未開采煤礦進行封閉停采，最大限度減小采空區對高速公路建設及運營造成的安全隱患。