于德亮，劉 偉，翟 珂

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟(jì)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(jù)興隆莊煤礦開(kāi)采規(guī)劃，今后開(kāi)采對(duì)公路產(chǎn)生影響的工作面有10304、10310、10311、10312 等 4 個(gè)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(guān)開(kāi)采沉陷對(duì)公路影響情況，需進(jìn)行興隆莊煤礦開(kāi)采沉陷影響S246 臨鄒線進(jìn)行預(yù)測(cè)，為公路治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 開(kāi)采區(qū)域概況及地質(zhì)條件

興隆莊礦上組煤10 采區(qū)位于井田中南部，采區(qū)東部至津浦鐵路保護(hù)煤柱，西部與上組煤4 采區(qū)相鄰，北部以工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱為界與上組煤2 采區(qū)相鄰，南部以井田邊界保護(hù)煤柱為界與東灘礦相鄰采區(qū)走向長(zhǎng)0.51~2.54 km，傾向長(zhǎng)1.3～3.85 km，面積約5.74 km2。采區(qū)內(nèi)3 煤底板標(biāo)高平均約-422.5 m。采區(qū)范圍地面標(biāo)高為+45.93～+48.15 m，平均+47.00 m，地勢(shì)平坦。

上組煤10 采區(qū)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(gòu)造。十采區(qū)內(nèi)第四系基本呈現(xiàn)由西向東先變薄再增厚趨勢(shì)，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(tǒng)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(wěn)定。3 煤厚度大且穩(wěn)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(qū)可采的穩(wěn)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(fā)育方向與斷層走向基本一致。斷層落差在0~23 m，延展長(zhǎng)度在70~2 700 m 之間。

2 開(kāi)采工作面及公路現(xiàn)狀

2.1 開(kāi)采工作面情況

本區(qū)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(jì)劃開(kāi)采的、對(duì)公路會(huì)產(chǎn)生影響的工作面有 10304、10310、10311、10312 等 4 個(gè)工作面，見(jiàn)表 1。

表1 開(kāi)采工作面情況

2.2 公路現(xiàn)狀

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

圖1 公路現(xiàn)狀（西部10310、10311 面上方）

圖2 公路現(xiàn)狀（東部10304 面上方）

3 開(kāi)采區(qū)域地表沉陷預(yù)計(jì)

3.1 預(yù)計(jì)參數(shù)選取

兗州礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律研究成果分析，本區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律基本符合概率積分模型，因此本區(qū)的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)采用概率積分法預(yù)測(cè)模型。同時(shí)概率積分法也是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中規(guī)定的計(jì)算方法。根據(jù)兗州礦區(qū)及興隆莊煤礦巖移成果，結(jié)合十采區(qū)工作面的具體地質(zhì)條件，通過(guò)綜合分析，確定本次預(yù)計(jì)選用的預(yù)計(jì)參數(shù)分別如下：

下沉系數(shù)：q= 0.83；水平移動(dòng)系數(shù)：b= 0.3；主要影響角正切值：tgβ=1.8～2.2；開(kāi)采影響傳播角：θ= 90°-0.56α；拐點(diǎn)偏移距：s= 0.05H，當(dāng)附近為老采空區(qū)時(shí)，該側(cè)拐點(diǎn)偏移距取負(fù)值。

3.2 預(yù)計(jì)分析

10 采區(qū)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(kāi)采結(jié)束多年，殘余沉降很小，對(duì)公路影響可以忽略，且影響公路塌陷段已經(jīng)回填或治理，故不再進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)分析。根據(jù)實(shí)際開(kāi)采情況，在預(yù)計(jì)計(jì)算時(shí)，按開(kāi)采順序（10304 、10310 、10311 、10312 面）依次進(jìn)行開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)。在10304 等工作面開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)時(shí)，考慮了周圍老采空區(qū)的影響。

1）10304 面沉陷預(yù)計(jì)分析。工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為5.2 m 左右，影響長(zhǎng)度約978 m。

2）10310 面沉陷預(yù)計(jì)分析。工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為6.5 m 左右，影響長(zhǎng)度約922 m。10304 、10310 工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為6.5 m 左右，影響長(zhǎng)度約1 800 m。

3）10311 面沉陷預(yù)計(jì)分析。工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為6.0 m 左右，影響長(zhǎng)度約828 m。10304 、10310 、10311 工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長(zhǎng)度約2 055 m。

4）10312 面沉陷預(yù)計(jì)分析。工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為1.0 m 左右，影響長(zhǎng)度約568 m。10304 、10310 、10311 、10312 工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長(zhǎng)度約2 158 m；此為本區(qū)公路沉降最終值。

圖 3 10304、10310、10311、10312 面開(kāi)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(qū)綜放開(kāi)采超前影響角計(jì)算公式如下：

式中：c為工作面推進(jìn)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(zhǎng)2 312 m，推進(jìn)速度每月約120 m（4.0 m/d）；由南向北開(kāi)采，逐步靠近公路并推過(guò)。通過(guò)計(jì)算開(kāi)采超前影響角為66.6°，則10304 工作面超前影響距為186 m；則當(dāng)10304 工作面推進(jìn)至距公路186 m 左右時(shí)公路開(kāi)始出現(xiàn)下沉，并將逐漸增大。開(kāi)采移動(dòng)角為60°左右，則當(dāng)工作面推過(guò)公路248 m后對(duì)公路影響基本結(jié)束。

4.2 10310 工作面

走向長(zhǎng)1 014 m，推進(jìn)速度每月約90 m（3.0m/d）；由南向北開(kāi)采，逐步靠近公路并推過(guò)。通過(guò)計(jì)算開(kāi)采超前影響角為66.9°，則工作面超前影響距為180 m。則當(dāng)工作面推進(jìn)至距公路180 m 左右時(shí)公路開(kāi)始出現(xiàn)下沉，并將逐漸增大。開(kāi)采移動(dòng)角為60°左右，則當(dāng)工作面推過(guò)公路225 m 后對(duì)公路影響基本結(jié)束。

4.3 10311 工作面

走向長(zhǎng)880 m，推進(jìn)速度每月約90m（3.0 m/d）；由南向北開(kāi)采，逐步靠近公路并推過(guò)。通過(guò)計(jì)算開(kāi)采超前影響角為66.5°，則工作面超前影響距為173 m；則當(dāng)10311 工作面推進(jìn)至距公路173 m 左右時(shí)公路開(kāi)始出現(xiàn)下沉，并將逐漸增大；工作面推過(guò)公路190 m 停采，對(duì)公路影響基本結(jié)束。

4.4 10312 工作面

5 影響段公路橋的穩(wěn)沉預(yù)測(cè)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(xiàn)狀見(jiàn)圖4。

圖4 泥河橋現(xiàn)狀圖

圖5 泥河橋區(qū)域井上下對(duì)照?qǐng)D

泥河橋位于采區(qū)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(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044-2014，2017 年）規(guī)定，采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)可以采用開(kāi)采條件判別法，以采空區(qū)終采時(shí)間為主要因素，結(jié)合地表移動(dòng)變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素，本區(qū)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(kāi)采方法為走向長(zhǎng)壁全部垮落法。

表2 按終采時(shí)間確定頂板垮落充分的采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

按終采時(shí)間判定：本區(qū)覆巖總體屬于較硬覆巖、頂板垮落充分，井下最近開(kāi)采的工作面時(shí)間是2012年，距今已7 年、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.5 年，故泥河橋區(qū)域已穩(wěn)定。

按地表移動(dòng)變形特征判定：本區(qū)采深較大，地表屬于連續(xù)變形，泥河橋位于盆地中間區(qū)，地面無(wú)地裂縫、臺(tái)階、塌陷坑，穩(wěn)定等級(jí)屬于穩(wěn)定。

按頂板巖性及松散層厚度判定：本區(qū)基巖厚度490 m 左右，有多層厚層狀硬巖層，厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15.0 m，松散層厚度190 m、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30 m，穩(wěn)定等級(jí)屬于穩(wěn)定。

綜上，以采空區(qū)終采時(shí)間為主要因素，結(jié)合地表移動(dòng)變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素，通過(guò)綜合分析，可以認(rèn)為泥河橋區(qū)域場(chǎng)地已穩(wěn)定。

表1給出二2煤層頂?shù)装鍘r石單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試結(jié)果，彈性模量是指單軸壓縮過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段的斜率，需要說(shuō)明的是表中給出是3個(gè)試樣結(jié)果平均值，二2煤層頂?shù)装宀煌瑤r性彈性模量分布特征如圖5所示。

6 公路治理初步設(shè)計(jì)

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(qū)積水路段采用拋石擠於處理。

2）路面維修方案。對(duì)原路面或路基處理后，銑刨瀝青混凝土面層后對(duì)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(wěn)定碎石，路面高程抬高35~37 cm。

3）防護(hù)。路基邊坡趨于穩(wěn)定，路面抬高后加鋪路肩。

4）排水。維修接高既有排水設(shè)施，增設(shè)缺失段排水設(shè)施。

5）交通標(biāo)志。對(duì)不滿足規(guī)范的標(biāo)志進(jìn)行更換，對(duì)標(biāo)志不全的生產(chǎn)路口補(bǔ)齊應(yīng)有標(biāo)志；同時(shí)，在沿線穿越學(xué)校、村莊路段，設(shè)置警告標(biāo)志及人行橫道告知標(biāo)志。

6）護(hù)欄。原有組合型護(hù)欄全部拆除，新建為F型SAm 級(jí)混凝土護(hù)欄，在加油站附近，設(shè)置SA 級(jí)防撞混凝土護(hù)欄。

7 治理采取的主要措施

7.1 沉陷區(qū)變形指標(biāo)控制

地面治理主要有：加高、加寬路基，灌漿處理采動(dòng)裂縫，調(diào)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(jù)有關(guān)規(guī)定和分析可見(jiàn)，對(duì)于S246 公路，其縱向變形限制為：傾斜＜4 mm/m（坡長(zhǎng)限制為500 m）、當(dāng)傾斜小于2~3 mm/m 時(shí)不限制坡長(zhǎng)；最大負(fù)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(méi)有對(duì)水平變形進(jìn)行規(guī)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(qū)公路治理必須采取切實(shí)可行的措施，及時(shí)抬高、維修、加固采煤區(qū)段的路基，由于綜放開(kāi)采下沉量大、下沉速度大、公路變形劇烈，如果維護(hù)不及時(shí)，公路路基會(huì)隨地表塌陷，產(chǎn)生裂隙和臺(tái)階，影響交通的安全正常運(yùn)行。煤矸石是煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中排至地面的一種工業(yè)廢渣，利用煤矸石作為公路路基回填材料，可以解決塌陷區(qū)路基回填材料不足問(wèn)題，還可以減少礦區(qū)固體污染。

7.3 變形監(jiān)測(cè)

在工作面回采過(guò)程中設(shè)立地表巖移觀測(cè)站，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，為公路運(yùn)行提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

7.3.1 泥河橋監(jiān)測(cè)

對(duì)于橋墩、橋面移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)，建議采用如下方案：在每個(gè)橋墩基礎(chǔ)及頂面設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)開(kāi)采期間的垂直變形和水平變形情況，每個(gè)橋墩基礎(chǔ)及頂面設(shè)置1 個(gè)點(diǎn)，僅在橋墩頂面設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)于橋面移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)，與橋墩對(duì)應(yīng)的橋面在變形縫兩側(cè)各設(shè)置1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)或在一側(cè)設(shè)點(diǎn)，采用鋼尺丈量梁縫的變化，以監(jiān)測(cè)梁縫的變化情況。觀測(cè)內(nèi)容及精度：進(jìn)行高程和平面測(cè)量，根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范- GB50026-2007》規(guī)定，橋梁變形監(jiān)測(cè)，水準(zhǔn)測(cè)量采用三等水準(zhǔn)，平面測(cè)量采用二等導(dǎo)線，在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的測(cè)量規(guī)范。觀測(cè)時(shí)間：在開(kāi)采影響前，進(jìn)行2 次全面觀測(cè)；開(kāi)采影響期間每10 天進(jìn)行1 次全面觀測(cè)；當(dāng)每6 個(gè)月下沉小于30mm 時(shí)，進(jìn)行2 次全面觀測(cè)。

7.3.2 公路監(jiān)測(cè)

觀測(cè)站的控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)，采用混凝土灌注或用預(yù)制的測(cè)點(diǎn)埋設(shè)。連接測(cè)量選擇采區(qū)周圍的2個(gè)四等控制點(diǎn)，布設(shè)5"激光測(cè)距導(dǎo)線或采用GPS進(jìn)行觀測(cè)站控制點(diǎn)連接測(cè)量。由于本區(qū)為平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，便于采用水準(zhǔn)測(cè)量。進(jìn)行連測(cè)應(yīng)以不低于三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，從較近的礦區(qū)等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)至觀測(cè)站控制點(diǎn)。連接測(cè)量應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行2 次。觀測(cè)站全面觀測(cè)和日常觀測(cè)的觀測(cè)次數(shù)和精度要求按《煤礦測(cè)量規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。在采動(dòng)過(guò)程中，要及時(shí)地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫，塌陷的形態(tài)和時(shí)間，還要記錄每次觀測(cè)時(shí)的相應(yīng)工作面位置、實(shí)際采出厚度、工作面推進(jìn)速度、頂板塌陷情況、煤層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等有關(guān)情況，為以后相同條件下公路治理提供依據(jù)。

8 結(jié) 論

本區(qū)的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)采用概率積分法預(yù)測(cè)模型，本次預(yù)測(cè)根據(jù)實(shí)際開(kāi)采情況，選取了合適的沉陷預(yù)計(jì)模型和參數(shù)，按開(kāi)采順序依次進(jìn)行了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，各工作面開(kāi)采引起的公路最大下沉值為7.0 m 左右，影響長(zhǎng)度約2 158 m；此為本區(qū)公路沉降最終值并給出開(kāi)采引起的地表下沉等值線圖，統(tǒng)計(jì)精確參數(shù)選取和計(jì)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(xué)依據(jù)。