厚煤層綜放開采工作面對地表公路采動影響預測

于德亮，劉 偉，翟 珂

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272102）

0 引 言

S246 臨鄒線兗州大廟至鄒城二十米橋段部分位于興隆莊煤礦井田上方。根據興隆莊煤礦開采規劃，今后開采對公路產生影響的工作面有10304、10310、10311、10312 等 4 個工作面。為研究 S246 臨鄒線兗州大廟至鄒城二十米橋段大修工程涉及煤礦相關開采沉陷對公路影響情況，需進行興隆莊煤礦開采沉陷影響S246 臨鄒線進行預測，為公路治理提供科學依據。

1 開采區域概況及地質條件

興隆莊礦上組煤10 采區位于井田中南部，采區東部至津浦鐵路保護煤柱，西部與上組煤4 采區相鄰，北部以工業廣場保護煤柱為界與上組煤2 采區相鄰，南部以井田邊界保護煤柱為界與東灘礦相鄰采區走向長0.51~2.54 km，傾向長1.3～3.85 km，面積約5.74 km2。采區內3 煤底板標高平均約-422.5 m。采區范圍地面標高為+45.93～+48.15 m，平均+47.00 m，地勢平坦。

上組煤10 采區處于興隆莊井田南部，位于兗州向斜北翼，為一走向北東-北西，傾向南東-北東，傾角2°~18°的單斜構造。十采區內第四系基本呈現由西向東先變薄再增厚趨勢，厚度較大、變化小，厚度為165.84~229.25 m，平均193 m。本面所采煤層為下二疊統山西組底部之3 煤，3 煤位于山西組下部，下距6 煤36 m 左右，下距三灰一般40~50 m，間距比較穩定。3 煤厚度大且穩定，厚度7.58~10.28 m，平均8.76 m，絕大部分厚度在8 m 以上，屬全區可采的穩定煤層。斷層主要有近東西向和近南北向2 組。3 煤的斷裂以NNW 及NNE 向的張扭性正斷層為主，SN向正斷層次之，裂隙發育方向與斷層走向基本一致。斷層落差在0~23 m，延展長度在70~2 700 m 之間。

2 開采工作面及公路現狀

2.1 開采工作面情況

本區已采工作面有：10301 下面（2005 年）、10302下（東）面（2010 年）、10302 面（2011 年）、10303 面（2013 年）、10305 面（2015 年）、10306 面（2017 年）。

正在或計劃開采的、對公路會產生影響的工作面有 10304、10310、10311、10312 等 4 個工作面，見表 1。

表1 開采工作面情況

2.2 公路現狀

S246 臨鄒線公路兗州大廟至鄒城二十米橋段東西向通過興隆莊煤礦10 采區上方，起點為兗州區大廟（K227+455）,終點位于鄒城市東灘路二十米橋（K240+296）,路線整體呈東西走向，見圖 2 、圖 3。

圖1 公路現狀（西部10310、10311 面上方）

圖2 公路現狀（東部10304 面上方）

3 開采區域地表沉陷預計

3.1 預計參數選取

兗州礦區地表移動規律研究成果分析，本區地表移動規律基本符合概率積分模型，因此本區的地表移動和變形預計采用概率積分法預測模型。同時概率積分法也是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中規定的計算方法。根據兗州礦區及興隆莊煤礦巖移成果，結合十采區工作面的具體地質條件，通過綜合分析，確定本次預計選用的預計參數分別如下：

下沉系數：q= 0.83；水平移動系數：b= 0.3；主要影響角正切值：tgβ=1.8～2.2；開采影響傳播角：θ= 90°-0.56α；拐點偏移距：s= 0.05H，當附近為老采空區時，該側拐點偏移距取負值。

3.2 預計分析

10 采區公路下方老工作面有：10301 下面（2005年）、10302 下（東） 面（2010 年）、10302 面（2011年）、10303 面（2013 年）、10305 面（2015 年）、10306面（2017 年）。這些老工作面已開采結束多年，殘余沉降很小，對公路影響可以忽略，且影響公路塌陷段已經回填或治理，故不再進行沉陷預計分析。根據實際開采情況，在預計計算時，按開采順序（10304 、10310 、10311 、10312 面）依次進行開采沉陷預計。在10304 等工作面開采沉陷預計時，考慮了周圍老采空區的影響。

1）10304 面沉陷預計分析。工作面開采引起的公路最大下沉值為5.2 m 左右，影響長度約978 m。

2）10310 面沉陷預計分析。工作面開采引起的公路最大下沉值為6.5 m 左右，影響長度約922 m。10304 、10310 工作面開采引起的公路最大下沉值為6.5 m 左右，影響長度約1 800 m。

3）10311 面沉陷預計分析。工作面開采引起的公路最大下沉值為6.0 m 左右，影響長度約828 m。10304 、10310 、10311 工作面開采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長度約2 055 m。

4）10312 面沉陷預計分析。工作面開采引起的公路最大下沉值為1.0 m 左右，影響長度約568 m。10304 、10310 、10311 、10312 工作面開采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長度約2 158 m；此為本區公路沉降最終值。

圖 3 10304、10310、10311、10312 面開采引起的地表下沉等值線圖

4 各工作面超前及滯后影響公路分析

兗州礦區綜放開采超前影響角計算公式如下：

式中：c為工作面推進速度，m/d；H為采深，m；h為表土厚度，m；M為采厚，m。

4.1 10304 工作面

走向長2 312 m，推進速度每月約120 m（4.0 m/d）；由南向北開采，逐步靠近公路并推過。通過計算開采超前影響角為66.6°，則10304 工作面超前影響距為186 m；則當10304 工作面推進至距公路186 m 左右時公路開始出現下沉，并將逐漸增大。開采移動角為60°左右，則當工作面推過公路248 m后對公路影響基本結束。

4.2 10310 工作面

走向長1 014 m，推進速度每月約90 m（3.0m/d）；由南向北開采，逐步靠近公路并推過。通過計算開采超前影響角為66.9°，則工作面超前影響距為180 m。則當工作面推進至距公路180 m 左右時公路開始出現下沉，并將逐漸增大。開采移動角為60°左右，則當工作面推過公路225 m 后對公路影響基本結束。

4.3 10311 工作面

走向長880 m，推進速度每月約90m（3.0 m/d）；由南向北開采，逐步靠近公路并推過。通過計算開采超前影響角為66.5°，則工作面超前影響距為173 m；則當10311 工作面推進至距公路173 m 左右時公路開始出現下沉，并將逐漸增大；工作面推過公路190 m 停采，對公路影響基本結束。

4.4 10312 工作面

5 影響段公路橋的穩沉預測分析

在S246 臨鄒線兗州大廟至鄒城二十米橋段的東南方向，有一公路橋：泥河橋，橋梁現狀見圖4。

圖4 泥河橋現狀圖

圖5 泥河橋區域井上下對照圖

泥河橋位于采區上方，橋梁下方工作面有3上煤的 14305 綜放面（1998 年）、14306-1 分層綜采面（1990 年） 和 14306（2000 年）、14307（1996 年）、14308（1999 年）、14309（2004 年）及 3下煤的 143下05 （2012 年）、143下06 （2010 年）、143下07（2009年）、143下08（2008 年）、143下09 綜采面（2007 年）。

《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044-2014，2017 年）規定，采空區場地穩定性評價可以采用開采條件判別法，以采空區終采時間為主要因素，結合地表移動變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素，本區采深在580 m 左右、頂板巖性較硬、松散層厚度190 m 左右，井下開采方法為走向長壁全部垮落法。

表2 按終采時間確定頂板垮落充分的采空區場地穩定性等級

按終采時間判定：本區覆巖總體屬于較硬覆巖、頂板垮落充分，井下最近開采的工作面時間是2012年，距今已7 年、遠遠大于2.5 年，故泥河橋區域已穩定。

按地表移動變形特征判定：本區采深較大，地表屬于連續變形，泥河橋位于盆地中間區，地面無地裂縫、臺階、塌陷坑，穩定等級屬于穩定。

按頂板巖性及松散層厚度判定：本區基巖厚度490 m 左右，有多層厚層狀硬巖層，厚度遠遠大于15.0 m，松散層厚度190 m、遠遠大于30 m，穩定等級屬于穩定。

綜上，以采空區終采時間為主要因素，結合地表移動變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素，通過綜合分析，可以認為泥河橋區域場地已穩定。

表1給出二2煤層頂底板巖石單軸抗壓強度和彈性模量測試結果，彈性模量是指單軸壓縮過程中應力-應變曲線直線段的斜率，需要說明的是表中給出是3個試樣結果平均值，二2煤層頂底板不同巖性彈性模量分布特征如圖5所示。

6 公路治理初步設計

1）路基。一般加寬路段采用6%生石灰粉處理地基20 cm，再用6%低劑量灰土回填80 cm 至路基頂，采空區積水路段采用拋石擠於處理。

2）路面維修方案。對原路面或路基處理后，銑刨瀝青混凝土面層后對上基層就地冷再生，鋪筑4 cm SBS 改性瀝青面層（AC-13）+ 黏層 +5 cm 中粒式廠拌熱再生瀝青混凝土（AC-20）+ 封層+ 透層+2x18 cm 水泥穩定碎石，路面高程抬高35~37 cm。

3）防護。路基邊坡趨于穩定，路面抬高后加鋪路肩。

4）排水。維修接高既有排水設施，增設缺失段排水設施。

5）交通標志。對不滿足規范的標志進行更換，對標志不全的生產路口補齊應有標志；同時，在沿線穿越學校、村莊路段，設置警告標志及人行橫道告知標志。

6）護欄。原有組合型護欄全部拆除，新建為F型SAm 級混凝土護欄，在加油站附近，設置SA 級防撞混凝土護欄。

7 治理采取的主要措施

7.1 沉陷區變形指標控制

地面治理主要有：加高、加寬路基，灌漿處理采動裂縫，調整超限的坡度、豎曲線、平面圓曲線和超高，修理不平整的路面和損壞的涵洞等。根據有關規定和分析可見，對于S246 公路，其縱向變形限制為：傾斜＜4 mm/m（坡長限制為500 m）、當傾斜小于2~3 mm/m 時不限制坡長；最大負曲率為0.33 mm/m2，最大正曲率為0.15 mm/m2；其橫向變形限制為：傾斜＜6 mm/m。由于沒有對水平變形進行規定，取建筑物的臨界變形值，即水平變形限制為小于2 mm/m。

7.2 矸石充填路基

采煤塌陷區公路治理必須采取切實可行的措施，及時抬高、維修、加固采煤區段的路基，由于綜放開采下沉量大、下沉速度大、公路變形劇烈，如果維護不及時，公路路基會隨地表塌陷，產生裂隙和臺階，影響交通的安全正常運行。煤矸石是煤礦在生產過程中排至地面的一種工業廢渣，利用煤矸石作為公路路基回填材料，可以解決塌陷區路基回填材料不足問題，還可以減少礦區固體污染。

7.3 變形監測

在工作面回采過程中設立地表巖移觀測站，進行長期觀測，為公路運行提供實測數據支撐。

7.3.1 泥河橋監測

對于橋墩、橋面移動變形的監測，建議采用如下方案：在每個橋墩基礎及頂面設置觀測點，監測開采期間的垂直變形和水平變形情況，每個橋墩基礎及頂面設置1 個點，僅在橋墩頂面設置觀測點。對于橋面移動變形的監測，與橋墩對應的橋面在變形縫兩側各設置1 個觀測點或在一側設點，采用鋼尺丈量梁縫的變化，以監測梁縫的變化情況。觀測內容及精度：進行高程和平面測量，根據《工程測量規范- GB50026-2007》規定，橋梁變形監測，水準測量采用三等水準，平面測量采用二等導線，在整個觀測期內嚴格執行相關的測量規范。觀測時間：在開采影響前，進行2 次全面觀測；開采影響期間每10 天進行1 次全面觀測；當每6 個月下沉小于30mm 時，進行2 次全面觀測。

7.3.2 公路監測

觀測站的控制點和工作測點，采用混凝土灌注或用預制的測點埋設。連接測量選擇采區周圍的2個四等控制點，布設5"激光測距導線或采用GPS進行觀測站控制點連接測量。由于本區為平原地區，地勢平坦，便于采用水準測量。進行連測應以不低于三等水準測量的精度要求，從較近的礦區等級水準點引測至觀測站控制點。連接測量應獨立進行2 次。觀測站全面觀測和日常觀測的觀測次數和精度要求按《煤礦測量規程》中的有關規定執行。在采動過程中，要及時地記錄和描述地表出現的裂縫，塌陷的形態和時間，還要記錄每次觀測時的相應工作面位置、實際采出厚度、工作面推進速度、頂板塌陷情況、煤層產狀、地質構造、水文條件等有關情況，為以后相同條件下公路治理提供依據。

8 結 論

本區的地表移動和變形預計采用概率積分法預測模型，本次預測根據實際開采情況，選取了合適的沉陷預計模型和參數，按開采順序依次進行了開采沉陷預計，各工作面開采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長度約2 158 m；此為本區公路沉降最終值并給出開采引起的地表下沉等值線圖，統計精確參數選取和計算，給出工作面超前和滯后影響距離，并提出了治理措施，為后期治理提供了科學依據。