要海亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

采空區(qū)是人為開采礦產(chǎn)資源或者天然地殼運(yùn)動形成的“空洞”[1]。地下采空區(qū)空間具有分布特征規(guī)律性差，隱伏性較強(qiáng)，頂板部位的強(qiáng)度情況預(yù)測困難等特征[2]。公路工程建設(shè)中，當(dāng)?shù)缆反┻^采空區(qū)時，路基下伏采空區(qū)對路基穩(wěn)定性能就會造成一定的影響。公路采空區(qū)的處理方法主要是通過注漿法進(jìn)行加固[3]。對路基下伏采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價及沉降預(yù)測十分重要[4]。因此，有必要對采空區(qū)路基變形的特征和影響因素進(jìn)行深入分析探討。筆者以山西某公路下伏采空區(qū)為例，從采空區(qū)覆蓋巖層破壞情況、路基變形特征等方面分析變形基本特征。然后通過ANSYS軟件模擬分析開采寬度、開采深度、煤層傾角以及煤柱預(yù)留等4個方面對地表沉降的影響，進(jìn)而分析路基的穩(wěn)定性能。

1 采空區(qū)路基特性

1.1 采空區(qū)覆蓋巖層特性

完整的地殼結(jié)構(gòu)通常處于實體飽滿狀態(tài)，在地下煤層開采過程中，由于內(nèi)部部分空間失去支撐作用使得周圍的巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力集中或者應(yīng)力重新分布[1]。此時，當(dāng)?shù)叵旅簩颖婚_采結(jié)束后，采空區(qū)上部覆蓋巖層的應(yīng)力超過巖體自身強(qiáng)度就會使其形態(tài)產(chǎn)生各種變形和移動等。如圖1所示，采空區(qū)上部覆蓋巖層主要分為3個部分，最上面部分是彎曲帶，在垂直方向上，巖層的初始應(yīng)力作用引起的變形，這種變形規(guī)律而且連續(xù)；深入巖層內(nèi)部就是裂隙帶，裂隙帶的產(chǎn)生是由采空區(qū)應(yīng)力空缺間接導(dǎo)致，在巖層壓力作用下產(chǎn)生裂隙，裂隙的類型大多為豎向，而且連續(xù)性較差；與采空區(qū)直接接觸的部位是冒落帶，嚴(yán)格意義上講，冒落帶的破碎落石會將采空區(qū)孔洞部位填充，但是這種填充存在許多空隙，形成新的堆積巖層，從力學(xué)角度看，由于上部彎曲帶和裂隙帶巖層對冒落帶有壓實作用，冒落帶的豎向力學(xué)性能優(yōu)于橫向力學(xué)性能。

圖1 采空區(qū)覆蓋巖層破壞特性

處于采空區(qū)彎曲帶范圍內(nèi)的路基穩(wěn)定性和變形特性直接受到開采的影響。在開采初期，冒落帶尚未立即形成，煤層開挖后留下的采空區(qū)仍然處于應(yīng)力缺失狀態(tài)，上方路基填筑材料的自重又給采空區(qū)頂板增加了附加應(yīng)力作用，使得變形沉降加劇，當(dāng)冒落帶形成之后，碎落巖體逐漸填充采空區(qū)空間，由于巖體之間存在的間隙較大，在圍壓作用下進(jìn)一步變形，進(jìn)而引起上部裂隙產(chǎn)生，覆蓋巖體發(fā)生彎曲變形，引起地表沉陷。

1.2 采空區(qū)頂板力學(xué)性能

采空區(qū)頂板的力學(xué)性能是影響路基變形形式和變形量的直接因素，根據(jù)山西省某公路下伏采空區(qū)的實際情況，為詳細(xì)分析各巖層的力學(xué)性能以及地質(zhì)條件，通過鉆孔提取采空區(qū)頂板承載芯樣，測試力學(xué)性能的物探方法對采空區(qū)頂板進(jìn)行探測。圖2為鉆探深度小于30 m的芯樣。

圖2 采空區(qū)頂板小于30 m巖石鉆探取樣

除去上覆土層后，如圖2a中，巖層在10 m內(nèi)時，巖石顏色較淺，巖石主要為局部粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，深度接近30 m時，主要為炭質(zhì)泥巖，顏色較深。隨著深度的增加，巖石類型逐漸發(fā)生變化，如圖3所示，深度大于30 m后，各深度巖石鉆探取樣，在35 m左右位置，如圖3a中，已經(jīng)出現(xiàn)厚度較薄的煤層，接著巖層逐漸發(fā)生變化，在鉆探深度達(dá)到50 m左右時，如圖3b中，出現(xiàn)以炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主的巖層狀態(tài)。這就說明采空區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在實際工程中需要根據(jù)實際情況進(jìn)行處理。

圖3 采空區(qū)30～57.8 m巖石鉆探取樣

采空區(qū)上部覆蓋巖層與路基直接接觸，其物理力學(xué)性能是影響路基穩(wěn)定和變形特性的直接因素，覆蓋巖層的變形牽連作用引起路基發(fā)生不同程度的變形。根據(jù)鉆探試樣，分別對距離表層5 m、20 m、57.8 m以及煤層的密度、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比以及抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行檢測。測試結(jié)果如表1所示。

表1 采空區(qū)巖層力學(xué)性能測試結(jié)果

根據(jù)試驗測試結(jié)果，隨著鉆探深度的變化，由于上部巖石地質(zhì)狀況復(fù)雜，其物理力學(xué)特性都存在一定差異，距離表層5 m處的力學(xué)性能最好，距表層20 m位置的強(qiáng)度不及深度更大的57.8 m，這是因為在20 m位置，巖石大多屬于炭質(zhì)泥巖，與下部較薄的煤層接近。相比之下，煤層的密度最小，力學(xué)性能最差，這也是煤層易于開采的原因之一。即便如此，由于受到3個方向約束力的作用，內(nèi)部煤層的存在對上部巖體結(jié)構(gòu)變形的抑制作用是相當(dāng)大的。未采空區(qū)域和未開采區(qū)域的力學(xué)性能和沉陷變形特性差異十分明顯。

1.3 路基變形特征

a）公路路基處于不同的位置時，其受到采空區(qū)變形影響效果不同。如圖4a所示，當(dāng)路基整體處于采空區(qū)中間區(qū)域范圍內(nèi)時，路基發(fā)生的整體沉降量最為明顯，從路基自身看，中部沉降量略微大于邊緣沉降量，然而不均勻沉降卻相對較小，路基的左右兩側(cè)在彎曲作用下會產(chǎn)生壓應(yīng)力，進(jìn)而引起路基或者路面隆起變形。

b）在圖4b所示的情況中，當(dāng)路基處于采空區(qū)邊緣時，由于地表發(fā)生的沉降量不同，靠近采空區(qū)一側(cè)的路基發(fā)生的變形比較大，遠(yuǎn)離采空區(qū)的一側(cè)產(chǎn)生的沉降量則相對較小，路基在此情況下各個部位的沉降差異較大，路基不均勻沉降導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，此時，路基有向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生傾斜的趨勢，也有向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生整體滑移的跡象。

圖4 采空區(qū)路基沉降的影響

c）一般情況下，采空區(qū)上的覆蓋巖層厚度越小，路基產(chǎn)生的沉降量就會越大，巖層厚度越大，沉降量就越小，進(jìn)而引起的路基變形量也較小。此外，彎曲帶的力學(xué)性能和抗彎拉變形特性越差，那么其引發(fā)的變形量就會越大，路基產(chǎn)生的沉降量就越大，路基處于不同位置下地表變形量的不同影響其穩(wěn)定性能和變形性能。

d）對于處于采空區(qū)中心的路基而言，在彎曲變形過程中，如圖4a中，路基兩側(cè)會產(chǎn)生指向路基內(nèi)部的擠壓應(yīng)力，當(dāng)路基兩側(cè)的擠壓應(yīng)力過大時，會引起路基和路面向上凸出隆起或者起伏不平。處于采空區(qū)邊緣的路基需要承受水平拉應(yīng)力作用，如圖4b所示，處于采空區(qū)邊緣的路基在不均勻沉降作用的影響下，靠近采空區(qū)一側(cè)會產(chǎn)生背離路基內(nèi)部的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過了路基填筑材料的極限抗拉承載力的情況下，路基會產(chǎn)生裂縫。

2 路基變形影響因素

采空區(qū)路基變形的影響因素主要包括開采寬度、煤層深度、預(yù)留煤柱以及煤層傾角[5]。根據(jù)實際情況，采用ANSYS軟件模擬各個因素變化對路基沉降變形的影響效果進(jìn)行分析。

2.1 開采寬度的影響

分析模型設(shè)置228個單元，259個節(jié)點，在100 m×200 m范圍內(nèi)開采厚度為5 m，寬度分別為25 m、50 m、75 m三種工況下的地表變形量進(jìn)行分析，不同開采寬度對地表沉降量的影響如圖5所示。以地表變形評價路基變形特征。

圖5 開采寬度對地表沉降的影響

從圖5中分析結(jié)果可知，采空區(qū)的開采寬度越大，對地表沉降變形越明顯，當(dāng)公路路基整體位于沉降區(qū)域范圍內(nèi)時，整體沉降越明顯。由于采空區(qū)路基變形受到煤層開采方式和開采面積的影響，一般情況下，充分采動作用造成周圍巖體的破壞比非充分采動更為嚴(yán)重，開采的面積越大，對路基變形和穩(wěn)定性的影響越大，開采深度相同的情況下，采寬越大，其影響范圍越廣，采寬為75 m時，地表最大沉降量達(dá)到了2.25×10-2mm。此外，開采方法的不同也會造成不同影響，通常，懸臂式采煤法在巖體內(nèi)部主要引起斜向破壞，全部垮落法則會引起路基整體沉降。

2.2 煤層深度的影響

研究煤層埋深對路表穩(wěn)定性能的影響時，建立100 m×200 m分析模型，網(wǎng)格劃分中設(shè)置192個單元，223個節(jié)點，開采深度分別選取20 m、40 m、60 m進(jìn)行分析。煤層埋置深度對路標(biāo)變形的影響作用變化曲線如圖6所示。

圖6 煤層埋深對地表沉降的影響

煤層開采深度和厚度是引起采空區(qū)覆蓋巖層發(fā)生破壞的根本原因之一，開采厚度越大，影響越嚴(yán)重，開采深度越淺，影響越明顯，當(dāng)深度大于150 m時，影響甚微[4]。從圖6所示的分析結(jié)果看，開采深度越小，對地表產(chǎn)生的沉降影響越大，采深為20 m時，最大地表沉降達(dá)到6.8×10-3mm，但是其帶來的橫向影響范圍相對較小，沉降量超過5×10-3mm的僅有40 m，而對于開采深度為40 m和60 m的情況，雖然最大沉降量不及開采深度為20 m的，但是其橫向影響范圍相對較大，幾乎已經(jīng)超過了120 m。

2.3 預(yù)留煤柱的影響

預(yù)留煤柱的數(shù)量和大小都會對地表沉降變形造成影響。分析模型尺寸寬度為200 m，高度為100 m，開采寬度均設(shè)置為50 m，模型網(wǎng)格劃分成571個單元，節(jié)點數(shù)為621對地表沉降進(jìn)行分析。在此情況下對未預(yù)留煤柱、預(yù)留1根煤柱以及預(yù)留2根煤柱3種情況下在200 m橫向范圍內(nèi)分析地表沉降如圖7所示。

圖7 預(yù)留煤柱對地表沉降的影響

根據(jù)圖7所示的分析結(jié)果，預(yù)留煤柱的數(shù)量直接影響地表的豎向變形量。預(yù)留2根煤柱時，地表沉降量最小，其最大沉降為不留煤柱的1/2，未預(yù)留煤柱的最大沉降量達(dá)到1.45×10-2mm。隨著預(yù)留煤柱數(shù)量的增加，地表產(chǎn)生的豎向位移逐漸減少，但是，是否預(yù)留煤柱以及預(yù)留煤柱的數(shù)量多少對采空區(qū)上部覆蓋巖層產(chǎn)生的橫向變形范圍沒有十分明顯的影響。然而，地表變形的集中程度較高同樣不利于地面和路基的穩(wěn)定。

2.4 煤層傾角的影響

根據(jù)實際情況，建立x正方向200 m，y正方向100 m的模型，并將模型劃分為222個單元體，共計253個節(jié)點，將開采厚度設(shè)置為5 m，然后在開采寬度為50 m時對煤層的傾度分別為0°、30°、60°的情況分析煤層傾角對地表沉降量大小和范圍的影響，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 煤層傾角對地表沉降的影響

圖8曲線顯示，煤層傾斜角度越大，采空后對地表的影響越明顯，豎向位移量越大，傾角為0°時，采空區(qū)中心位移最大，橫向影響范圍超過100 m，傾角為30°時，沉降較0°小，影響范圍縮小，順延煤層方向，沉降不均勻變化。傾角為60°時，沉降最小，在開采范圍內(nèi)，沿傾角方向，沉降量逐漸減少。說明隨著煤層傾角的增大，地表沉降量減小，對采空區(qū)上部巖層和路基穩(wěn)定性更為有利。

3 結(jié)語

通過對采空區(qū)路基變形基本特征以及山西某公路下伏采空區(qū)的上部覆蓋巖層破壞特性、路基變形特征以及影響路基沉降變形的因素分析得出：

a）采空區(qū)引起巖體應(yīng)力重分布導(dǎo)致上部覆蓋巖層冒落帶碎落、裂隙帶開裂以及彎曲帶彎曲最終導(dǎo)致路基變形。

b）路基處于采空區(qū)中心時會整體沉降，兩側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力導(dǎo)致路面隆起，路基處于采空區(qū)邊緣時不均勻沉降，產(chǎn)生拉應(yīng)力引起路基開裂或滑移。

c）采空區(qū)路基沉降量影響因素主要有開采寬度、煤層深度、預(yù)留煤柱以及煤層傾角4個因素。

d）開采寬度越寬、深度越淺、預(yù)留煤柱越小、煤層傾角越小對路基沉降越不利。