某高速公路采空區(qū)穩(wěn)定性分析及治理研究

楊加發(fā) 陳 海

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

貴州省具有獨(dú)特的地理位置與特征，除了明顯的喀斯特地貌外，也包含煤層豐富的煤系地層。當(dāng)受到開采后易形成采空區(qū)，并存在一定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，因此在與后期工程交叉處，須對(duì)其進(jìn)行治理[1]。采空區(qū)變形是一個(gè)復(fù)雜長(zhǎng)期的過(guò)程，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[2]，采空區(qū)下沉?xí)斐傻乇硖Y(jié)構(gòu)物損壞、開裂等破壞[3]。目前常用采空區(qū)處治方法包含崩落圍巖處理空區(qū)、充填法處理空區(qū)、永久礦柱或構(gòu)筑人工石柱處理采空區(qū)、封閉和隔離處理采空區(qū)、聯(lián)合法處理采空區(qū)。實(shí)際工程中需結(jié)合工程及采空區(qū)特點(diǎn)，選用合適的處理方法進(jìn)行處理。

1 工程概況

本采空區(qū)工程位于貴州省某高速K2+820-K3+560段左1 180-右1 160 m處，路基以挖方及填方的形式通過(guò)，采空區(qū)影響范圍內(nèi)包含金西特大橋。采空區(qū)平面圖見圖1。

圖1 采空區(qū)平面位置圖

根據(jù)既有資料可采煤層為K7和K8，其線路方向埋深70～270 m。該路線主要工點(diǎn)金西特大橋，跨越采空區(qū)高填方路基、挖方路基，煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)長(zhǎng)度約為740 m。

路線K1+959-K3+800段位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)，其中K1+959-ZK2+631段為金西大橋、K2+631-K3+800段為路基。K2+820-K3+560段通過(guò)煤礦采空區(qū)，范圍內(nèi)長(zhǎng)度約為724 m。

場(chǎng)區(qū)分布有二迭系中統(tǒng)吳家坪組-長(zhǎng)興組(P2w-c)煤系地層，路基穿越煤系地層，場(chǎng)區(qū)分布的煤系地層經(jīng)煤礦開采已形成大面積的地下采空區(qū)，對(duì)路基存在影響；場(chǎng)區(qū)分布的煤系地層巖性主要以灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾煤層，煤系地層巖性組合多樣，總厚242～348 m，一般厚度280 m。采空區(qū)縱斷面圖見圖2。

圖2 采空區(qū)縱斷面圖

2 采空區(qū)特點(diǎn)

采空區(qū)含煤9～13層，最大含煤厚度9.9 m，含煤系數(shù)3.5%，可采煤層2層(K7、K8)，最大可采厚度5.54 m，煤層多集中在煤系地層中部。

其中K8煤層下距K7煤層14.34～17.98 m，平均15.79 m。頂由12 m左右的燧石灰?guī)r直接所覆蓋，底板由3 m左右頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖組成。煤層結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，根據(jù)地勘資料統(tǒng)計(jì)，煤厚一般0.69～1.82 m，平均厚1.06 m，屬較穩(wěn)定煤層。

K7煤層上距K8煤層一般14.34～17.98 m，平均15. 9 m；下距K6煤層一般2.98～9.41 m，平均7.35 m。頂板由5～8 m燧石灰?guī)r組成，底板為10 m左右的砂質(zhì)頁(yè)巖。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)15個(gè)原勘探鉆孔所獲資料統(tǒng)計(jì)，煤厚一般1.33～3.54 m，平均厚1.39 m，厚度變化較大，但都在可采范圍內(nèi)。

煤層傾角約18°，礦井采用長(zhǎng)臂式采煤法，后退式回采，回采率95%；采用鉆孔爆破落煤，煤礦同一區(qū)段內(nèi)先采K8，然后再開采K7的順序開采，地下已形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)埋深70～270 m。路線采空區(qū)處為路基，但金西大橋部分橋墩位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.1 采空區(qū)穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)

根據(jù)既有資料煤礦區(qū)2004-2015年采用大規(guī)模長(zhǎng)壁法開采形成的采空區(qū)，且停采約10年，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但由于采空區(qū)地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育且煤層采空區(qū)仍會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的沉降變形，綜合分析初步判定采空區(qū)地表場(chǎng)地處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，具體評(píng)價(jià)因子見表1。

表1 煤礦采空區(qū)及采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)

3.2 采空區(qū)引起上覆巖層移動(dòng)數(shù)值分析

1) 離散單元法簡(jiǎn)介。離散單元法適合于節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖體，并在采礦、隧道及邊坡等工程等方面具有較重要的作用。在實(shí)際工程中，對(duì)模擬和分析煤礦中因采礦引起的圍巖松動(dòng)和冒落等力學(xué)行為，是目前最有效的計(jì)算方法之一。

該方法既能分析連續(xù)體，也可以分析非連續(xù)體及物體斷裂的問(wèn)題，還能處理轉(zhuǎn)動(dòng)及大位移問(wèn)題，特別適于分析節(jié)理破碎的巖體力學(xué)問(wèn)題[4]。

2) 計(jì)算剖面選取。根據(jù)采空區(qū)的特點(diǎn)，在采空區(qū)影響范圍內(nèi)布置若干條橫斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)其中3個(gè)典型剖面進(jìn)行詳細(xì)分析，剖面平面布置圖見圖3，分別為1-1’、2-2’、3-3’，其中1-1’剖面主要考察采空區(qū)對(duì)于金西特大橋的的影響，2-2’與3-3’剖面則主要考察煤礦采空區(qū)對(duì)路基的影響。

圖3 剖面平面布置圖

3) 數(shù)值模擬計(jì)算及計(jì)算結(jié)果分析。根據(jù)選取典型橫斷面，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將分兩步進(jìn)行模擬計(jì)算極限殘余變形，具體實(shí)施方法為：①先對(duì)K7、K8礦層進(jìn)開采；②模擬采空區(qū)整體垮塌，計(jì)算極限殘余變形，具體各斷面計(jì)算及分析如下。

①1-1’計(jì)算剖面。根據(jù)既有地質(zhì)資料，選取典型橫斷面，結(jié)合煤層傾向產(chǎn)狀及埋深情況，建立模型網(wǎng)格劃分，橫斷面1-1’網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 1-1’網(wǎng)格劃分

進(jìn)一步模擬該橫斷面處地面的水平位移及豎向位移，見圖5、圖6。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，礦層完全開挖后，1-1’剖面地表水平方向上最大位移為94.5 mm，豎直方向上的地表最大位移為210.7 mm，典型橫斷面1-1’地表位移曲線見圖7。根據(jù)JTG/T D31-03-2011《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》有關(guān)規(guī)定，橋梁墩臺(tái)區(qū)域?yàn)榛痉€(wěn)定區(qū)。

圖5 1-1’剖面水平位移(單位：mm)

圖6 1-1’剖面豎向位移(單位：mm)

圖7 剖面地表位移曲線

②2-2’計(jì)算剖面。同理，根據(jù)地質(zhì)資料，將橫斷面2-2’進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖8，進(jìn)一步模擬該橫斷面處地面的水平位移及豎向位移，見圖9及圖10。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，礦層完全開挖后，2-2’剖面地表水平方向上最大位移為56.0 mm，豎直方向上的地表最大位移為201.4 mm，典型橫斷面2-2’地表位移曲線見圖11，填方路基區(qū)域?yàn)榛痉€(wěn)定區(qū)。

圖8 2-2’網(wǎng)格劃分(單位：mm)

圖9 1-1’剖面水平位移(單位：mm)

圖10 2-2’剖面豎向位移(單位：mm)

圖11 2-2’剖面地表位移曲線

③3-3’計(jì)算剖面。同理，分析3-3’橫斷面，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，礦層完全開挖后，填方路基水平向位移26 mm，豎向位移為60 mm，為穩(wěn)定區(qū)。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)JTG/T D31-03-2011 《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)按地表剩余變形值來(lái)確定長(zhǎng)壁式采空區(qū)的穩(wěn)定性。采用地表移動(dòng)殘余變形來(lái)進(jìn)行采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選用地表下沉值W、地表傾斜值i及水平變形值e的取值范圍作為評(píng)價(jià)該區(qū)域是否穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)選取若干剖面對(duì)場(chǎng)區(qū)下沉值W、地表傾斜值i，以及水平變形值e進(jìn)行分析，得出K1+959-K3+800對(duì)應(yīng)的地表縱向沉降曲線、傾斜曲線及平變形曲線見圖12～圖14。

圖12 地表縱向沉降曲線圖

圖13 地表縱向傾斜曲線圖

圖14 地表縱向水平變形曲線圖

根據(jù)以上圖表分析，橋區(qū)地表水平變形值小于0.1 mm/m, 滿足采空區(qū)橋梁地基容許變形值要求。K2+700.00-K3+321.29段路基地表傾斜值、水平變形值，以及曲率、沉降值均滿足采空區(qū)地基容許變形要求，K3+321.29-K3+651.66段地表傾斜值、水平變形值，以及曲率、沉降值均不能同時(shí)滿足采空區(qū)地基容許變形要求，建議對(duì)該路段進(jìn)行采空區(qū)處治。

4 采空區(qū)處治措施

4.1 采空區(qū)處治范圍確定

踩空區(qū)處治范圍受到煤層傾角、采空厚度，以及上覆巖層性質(zhì)等因素影響[5]，結(jié)合前述分析確定采空區(qū)處理范圍，本采空區(qū)長(zhǎng)度L0約227 m，上山方向采空區(qū)上覆巖層厚度H上約67.5 m，下山方向采空區(qū)上覆巖層厚度142.29 m，上山移動(dòng)傾角γ為70°，下山移動(dòng)傾角β為65°，采空區(qū)治理長(zhǎng)度按式(1)計(jì)算，經(jīng)分析路基采空區(qū)治理范圍長(zhǎng)度為393 m。

L=L0+2hcotα+H上cotβ+H下cotγ(1)

同理根據(jù)維護(hù)帶寬度要求及移動(dòng)影響寬度分析得出采空區(qū)最大處理寬度為234 m，采空區(qū)處理平均深度為112 m；采空區(qū)處治平面圖見圖15。

圖15 采空區(qū)處治范圍平面圖

典型橫斷面見圖16。

圖16 采空區(qū)處治典型橫斷面

4.2 處置方法選擇

采空區(qū)處理的目的是為了保證公路的安全施工及運(yùn)營(yíng)。采空區(qū)常用處治方法中崩落圍巖處理空區(qū)、注漿法處理空區(qū)可永久根治采空區(qū)，其它采空區(qū)處理方案只是臨時(shí)性的加固和隔離，均不能徹底消除采空區(qū)對(duì)高速公路的安全威脅。根據(jù)該采空區(qū)的特點(diǎn)，采空區(qū)需永久根治。

崩解法處理采空區(qū)會(huì)引起地面沉降，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且采空區(qū)埋置深度低，實(shí)施難度大，崩解會(huì)進(jìn)一步引起地表開裂[6]。

注漿法是采用填充材料將采空區(qū)空腔進(jìn)行充填，達(dá)到控制采空區(qū)變形沉降的目的，通過(guò)地表鉆孔進(jìn)行注漿，對(duì)地表沉降影響也比較小，且能有效控制山體的穩(wěn)定。故對(duì)該采空區(qū)采用充填法進(jìn)行處治[7]。

4.3 采空區(qū)處治

根據(jù)地勘及既有項(xiàng)目處治經(jīng)驗(yàn)，本次采空區(qū)處治參數(shù)見表3。

表3 采空區(qū)處治參數(shù)

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)采空區(qū)注漿區(qū)域的設(shè)計(jì)，所布置的注漿孔開孔孔徑約130～150 mm，終孔孔徑不小于91 mm，經(jīng)初步估算治理下伏采空區(qū)域需布置帷幕孔133個(gè)(孔距10 m，布置在注漿區(qū)域邊界線)，注漿孔436個(gè)(孔距15 m，排距15 m)，平均孔深112 m，注漿量根據(jù)式(2)計(jì)算。

(2)

本采空區(qū)采用填充漿液為水泥粉煤灰漿液，根據(jù)已有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，水灰比取1∶1.2，水泥粉煤灰比例為3∶7，注漿量初步計(jì)算為9.53萬(wàn)m3。

5 結(jié)語(yǔ)

采空區(qū)的處治是工程建設(shè)中的常見問(wèn)題，在處治之前，應(yīng)結(jié)合鉆探、搜集既有資料查明采空區(qū)的范圍、深度及回采率等特征。

根據(jù)既有資料，本工程采用數(shù)值模擬分析煤層K7及K8開采過(guò)程中穩(wěn)定性，對(duì)不滿足規(guī)范要求的區(qū)域采取了有效措施進(jìn)行處治。

結(jié)合采空區(qū)的特點(diǎn)，根據(jù)工程規(guī)模，采用注漿法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處治，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，合理選擇注漿孔間距及注漿深度，避免了工程建設(shè)過(guò)程及后期運(yùn)營(yíng)期間因采空區(qū)沉降帶來(lái)?yè)p失。

采空區(qū)穩(wěn)定性分析為相關(guān)治理提供了理論基礎(chǔ)，使得該采空區(qū)的治理有效且經(jīng)濟(jì)。