煤礦工作面開采對國道的采動影響分析及保護措施研究

連躍東 李 悅

（1.山西大平煤業有限公司，山西 長治 046200；2.中煤科工生態環境科技有限公司，天津 300456）

公路是國民經濟的基礎設施，是交通系統的重要組成部分，在社會經濟發展中具有重要的地位和作用[1]。山西大平煤業正在進行3112 工作面的采煤工作，該工作面正上方有G208 國道由西北向東跨過采區。由于該通行路段屬于城鄉主要交通路段，是礦方采煤運輸的唯一路線，煤礦開采工作不可避免地對上方地表造成影響，地表下沉引起的傾斜和水平變形也必然會對路面造成破壞，影響正常通行。所以分析G208 國道受到的采動影響以及研究如何在煤礦正常開采的情況下保護道路暢通，保證G208 國道的正常通行，是非常有必要的[2-3]。

1 工作面的地質采礦條件及國道情況

大平煤礦為山西煤炭進出口集團和個人聯合持股煤炭開采企業，年生產能力120 萬t，主采二疊系下統3#煤層。其中3112 工作面寬度191 m，推進長度1100 m，地表較為平坦，平均標高+887 m，底板標高為+550～+670 m。工作面上方區域第四系厚約13～20 m，區域3#煤層厚度為5.8～6.2 m，傾角約3°～13°，其中靠近工作面東部區域傾角較小，采用了長壁后退式綜采放頂煤一次采全高開采工藝，采用全部垮落法管理頂板，已累計開采約410 m。

G208 國道與工作面位置關系如圖1。公路從工作面的西北方向進入工作面上方，自西向東穿過采煤區，采煤區內公路線長約650 m。

圖1 3112 工作面和G208 國道相對位置圖

2 工作面開采沉陷變形預計

3112 工作面正在開采區域正在G208 國道下方，隨著工作面推進，公路持續受到沉陷變形的影響。預計沉陷變形時，先要考慮正在開采過程中發生的沉陷變形影響，也要考慮后續的殘余變形對公路造成的影響。

地表沉陷變形計算采用我國常用的概率積分法[4]，計算參數選取主要依據該礦區的地表移動參數，同時充分考慮井下工作面開采的地質采礦條件。選取的計算參數有下沉系數q取值0.8，水平移動系數b取值0.3，主要影響角正切tgβ取值2.3，開采影響傳播系數k取值0.6，拐點偏移距s/H取值0.06。經過計算，求得G208 國道因3112 工作面開采的地表下沉等值線圖如圖2。

圖2 國道208 受3112 工作面開采影響下沉等值線圖

根據3112 開采沉陷預計，公路G208 受工作面開采影響段長約890 m（下沉值超過100 mm），其他路段幾乎不會受到沉陷變形的影響。以G208 國道受影響路段外20 m 處開始由東向西的公路為橫軸，每一點的下沉值為縱軸，繪制受開采影響范圍內的G208 路段的下沉曲線圖如圖3。

根據下沉曲線圖所示，受影響區間路段下沉值將達到0.1～4.8 m，東西兩側的下沉值較小，由東西兩側向中間下沉值持續增大。整個受影響路段中，工作面正上方600 m 的路段，下沉達到了3 m 以上，屬于受到最嚴重的沉陷破壞影響，以及同時受到傾斜變形和水平移動變形影響，路面破壞情況比較明顯。其他部分由于下沉值不大，受到的沉陷破壞影響相對較輕，路面的損壞程度不太明顯。通過開采沉陷變形預計的研究，可以劃分受災路面的嚴重程度，結合現場的實際情況，可以分段采取不同的處理方法，保證道路的正常通行。

3 分析道路路基穩定性

工作面開采過程中，會在巖層形成采空區，導致巖體發生移動變形和破壞，形成垮落裂縫帶。道路的荷載對地表下方有一定的影響距離，垮落裂縫帶的發育影響到道路的荷載距離時，會對路基造成重大的移動變形災害[5]。

G208 公路的荷載包括路基的靜態荷載和道路上方行駛車輛所造成的動態荷載兩部分。考慮G208的路基現況，靜態荷載的影響程度有限，最大3 m；動態荷載部分屬于車輛長期循環的一種荷載，其影響程度和路基高度是減線性函數關系，和車輛荷載是拋物線增函數關系。G208 道路上的車輛多數為30～50 t 的大型貨車，小部分為家用轎車，考慮貨車有超載（3倍超載）的情況，綜合靜態荷載和動態荷載，G208 的公路荷載影響深度約為地表下9～17 m。

采空區造成的垮落裂縫帶的發育高度需要考慮開采煤層的相關數據，選取煤層厚度6 m，煤層傾角7°，最小采深191 m，覆巖多為泥巖、砂質泥巖和細砂巖，所以巖性中硬偏硬，計算公式如下[6]：

式中：∑M為煤層的累計采厚，m。

經過計算，3112 工作面采空區垮落裂縫帶的最大發育程度約為74.1 m，考慮公路下最小采深為191 m，下沉影響最大4.8 m，垮落裂縫帶距離公路路基下地表距離約為111 m。國道G208 的最大荷載影響深度為17 m，所以3112 的開采不會影響到國道G208 的路基穩定性，不會造成大面積沉陷災害，道路受到的沉陷破壞程度在一定的范圍內，道路在采用保護措施后能夠正常通行。

4 道路的現狀

G208 路面多處路段出現寬5～20 mm 的東西向裂縫，且部分裂縫由于車輛碾壓已破損加重，裂縫破損處變為小型的破壞坑；部分路段出現明顯下沉，道路出現上下坡，起伏不定；嚴重地段受地表劇烈壓縮和拉伸變形作用，中間路段路面發生錯斷和鼓起，影響車輛正常行駛；道路整體向南側偏斜，路基形成小的滑坡；東西兩側路段受開采影響程度相對較小，中部路段受破壞影響相對嚴重和集中。

根據前面對工作面開采沉陷的研究和路基穩定性的分析，G208 國道雖然穿過3112 工作面，受到比較明顯采煤沉陷破壞，影響了車輛的正常行駛，采取行之有效的方法處理后，還是可以保證國道G208在3112開采活動進行的同時正常、安全的使用。

5 道路的采動保護措施

3112 工作面采動產生的地表沉降變形，必然對G208 國道安全行車產生影響，保證采動影響破壞后的路面結構完好、路面變形處于允許范圍內，保證公路安全、正常運行，需采取以下保護措施。

1）在國道G208 受影響段路面兩側設立警示牌，提醒行駛車輛減速慢行，注意地面裂縫和隆起，防止車速過快引發的翻車、撞車等危害；部分路段可以改為單車道行駛，以便處理路面損壞情況。

2）對于國道G208 路面出現的開裂、破損，采取填縫補強鋪平的方法處理；對于路面出現的凸起、鼓包采用鑿除后重新補平并且鋪設新的瀝青混凝土路面的方法處理；路面傾斜明顯的路段采取墊高路基或者路面、恢復傾斜的方法。為了保證公路的安全運營，對于路面的狀況要實時掌握，建立觀測站定期進行沉陷變形監測和定期的路面巡視，及時修復路面，不影響車輛的正常行駛。

3）由于地表沉陷破壞嚴重，路面破壞程度已不是簡單修復方法可以處理的時候，要及時封鎖相關路段，挖出破壞嚴重的路面，重新對路基進行加固。新路面可采用改性瀝青技術，或者采用設置變形縫的水泥混凝土路面結構，鋪設與地表變形方向一致的鋼筋骨架，根據地表殘余變形大小確定變形縫的路面板塊尺寸[7]，以提高道路的耐變形強度。

4）加強對采空區及道路下方的斷裂結構的探測，必要時可采用明挖回填、對離層彎曲帶進行注漿的辦法來緩減地表下沉量[8]，提升公路的抗變形能力；也可采用堆載預壓法、高能強夯法和水誘導沉降法等釋放老采空區的沉降潛力，加速老采空區活化和覆巖沉降過程，消除對地表有安全隱患的地下空洞，保證公路更快的恢復通行。

5）橋涵均采取鋼筋砼框架箱涵結構，并依據地表殘余變化以及道路回填的高度與寬度，適當增大涵洞的直徑；提高箱涵的壁厚、配筋和水泥標號；使用高強度蓋板或增強的支座，以增強其承重；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

6）采動影響沉降變形趨于穩定后，依然要加強路基路面的定期巡視和監測，及時清理排水溝渠，保證公路養護工作的及時到位，防止殘余變形妨礙道路的正常通行。

6 結論

結合3112 煤礦區域地質采礦條件，針對煤層開采的情況，首先對3112 進行開采沉陷變形預計，劃分G208 國道受到開采損害范圍和程度區間；其次通過開采沉陷變形結合道路受到的荷載情況分析得出G208 國道路基不會受到采煤開采破壞，確保了公路不會遭到重大的地災損壞；最后結合現場的實際破壞現狀，針對公路可能出現的塌陷、開裂、傾斜和部分結構斷裂，采取針對性保護措施，保證公路在工作面正常開采下的安全通行。