何環(huán)莎，呂冠穎，趙聰聰

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410012；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083）

近年來經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，修路造橋工程不斷，大大提高了國內(nèi)交通運(yùn)輸能力。在修建高速公路時(shí)，經(jīng)常遇到工程段內(nèi)存在煤礦開采的老采空區(qū)。煤礦大多數(shù)經(jīng)歷過早期巷道式不規(guī)則開采，或大規(guī)模長臂后退式開采。形成的采空區(qū)會在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)逐漸垮塌，引起地表巖層移動，產(chǎn)生不同程度的開裂、變形和塌陷。因此在修建高速公路前，必須對該路段采空區(qū)對地表的穩(wěn)定性影響進(jìn)行綜合評價(jià)，保證高速公路工程的安全建設(shè)。

目前煤礦采空區(qū)對地表巖層移動變形的影響分析程序大致分為兩個(gè)階段：第一階段是通過各種地球物理勘探設(shè)備對采空區(qū)的位置、暴露面積、體積進(jìn)行勘察；第二階段是通過各類定性分析、理論計(jì)算或三維數(shù)值模擬來量化采空區(qū)對地表巖層移動的影響程度，圈定移動影響范圍，為高速公路的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供技術(shù)支撐［1-7］。

由于煤礦的沉積巖層特征，煤層在開采后頂板會逐漸垮塌將空區(qū)填實(shí)，但破碎的巖體強(qiáng)度低，在經(jīng)過一段時(shí)間后，地表仍會產(chǎn)生較小的變形。但這種小變形對于高速公路工程來說也是影響較大的因素。因此在對采空區(qū)影響評價(jià)中，往往需要關(guān)注的重點(diǎn)問題是在經(jīng)過較長時(shí)間的采空區(qū)頂板自然跨落后，地表仍會產(chǎn)生的剩余變形對高速公路工程的影響［8-10］，本次研究利用三維數(shù)值模擬對煤礦采空區(qū)開挖過程進(jìn)行模擬，結(jié)合地表剩余變形機(jī)理研究，對兩家已停產(chǎn)煤礦老采空區(qū)對高速公路工程段地表變形及公路關(guān)鍵工程的影響進(jìn)行了專項(xiàng)分析。

1 工程概況

根據(jù)設(shè)計(jì)，擬建高速公路K8～K18 工程段有A 線 和K 線兩條比較線。其中A 線ZK15+457～ZK15+891 公路段通過Y 煤礦，ZK15+526～ZK15+802 公路段經(jīng)過Y 煤礦工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，線路以橋梁形式通過；K 線ZK15+255～ZK15+742 通過 Y 煤礦，線路 ZK15+002～ZK15+371 段為煤系地層出露段，線路以隧道通過，其中，ZK15+481～ZK15+642 段通過Y 煤礦深層采空區(qū)。D 煤礦位于K 線東側(cè)，高速公路線路與煤礦空間位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 高速公路線路與煤礦空間位置

擬建高速公路項(xiàng)目段地形條件復(fù)雜，路線總體上地勢起伏較大，沿線多山地、溝谷，項(xiàng)目最高點(diǎn)海拔為+1 466 m，最低點(diǎn)為河谷，海拔+510 m，高差956 m。

2 數(shù)值分析方法

2.1 模型范圍

數(shù)值模擬的目的是確定Y 煤礦和D 煤礦礦界范圍內(nèi)采空區(qū)對K 線和A 線的影響，結(jié)合地質(zhì)條件、礦山采掘現(xiàn)狀及高速公路相關(guān)工程的綜合考慮，最終確定模型范圍（西安80 坐標(biāo)系）：x方向范圍為35 632 675～35 635 455（長度2 780 m）；y方向范圍為3 058 039～3 059 239（長度1 200 m）；z方向范圍為+410 m至地表。為方便計(jì)算，將模型左下角點(diǎn)（3 038 751.6，35 616 928.2）移至相對坐標(biāo)（0，0），得到模型計(jì)算范圍（相對坐標(biāo)系）：x方向范圍為0～2 780 m；y方向范圍：0～1 200 m；z方向范圍為+410 m 至地表。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

Y、D 煤礦總體呈單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地層傾向?yàn)?40°～10°，傾角為38°～48°，平均46°，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬簡單型，模型包含7 個(gè)地層，地層分布如圖2 所示。煤礦礦區(qū)煤系屬于上二迭統(tǒng)龍?zhí)睹航M，層厚為70～80 m，平均74 m。區(qū)內(nèi)含煤9～13 層，平均總厚為8.0 m，含煤系數(shù)為7.22%，全區(qū)可采煤層C5、C7、C12，平均總厚11.1 m，其可采含煤系數(shù)為12.3%。C10 煤層局部可采，其余數(shù)層為不可采煤層。建立的三維數(shù)值模型如圖2 所示。

圖2 三維模型及地層分界

2.3 模型邊界約束條件及力學(xué)參數(shù)

對于上述地層巖石性質(zhì)，在計(jì)算過程中采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。邊界約束條件為模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束垂直位移，地表為自由面。數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)通過參考以往與區(qū)域地質(zhì)條件類似的相關(guān)工程中獲取的巖體力學(xué)參數(shù)（表1）。

表1 礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

3 開挖過程與分析步驟

計(jì)算過程中首先對兩煤礦2004—2013 年采用正規(guī)開采方法采礦的區(qū)域進(jìn)行開挖，初步分析開挖后采空區(qū)對地表的影響。由于礦山停產(chǎn)7 年以上，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》［11］中按照終采時(shí)間對采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)，對于停采時(shí)間大于730 d 以上的采空區(qū)，應(yīng)著重分析采空區(qū)垮塌基本結(jié)束后引起上覆巖層的剩余變形情況。

高速公路工程規(guī)劃中，兩條選線分別有兩處關(guān)鍵工程經(jīng)過礦區(qū)范圍，K 線的隧道A 及A 線的特大橋B，為了直觀地反映煤礦地下采空區(qū)對地表的影響過程，數(shù)值模擬分成以下兩個(gè)步驟：

1）分別在K 線左幅、A 線左幅主要樁號設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，K 線監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)高位置為隧道底板的標(biāo)高位置，A 線監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)高位置為大橋橋墩在地表位置，監(jiān)測各點(diǎn)的X、Y、Z向位移。

2）根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化確定采空區(qū)基本冒落完全的時(shí)間點(diǎn)，再根據(jù)相關(guān)規(guī)程計(jì)算巖體各項(xiàng)剩余變形數(shù)值，對照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，得出采空區(qū)對兩條線路的影響程度。位移監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 位移變化監(jiān)測點(diǎn)布置

4 計(jì)算結(jié)果分析

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，地下開采對地表高速公路的影響程度由地表傾斜、曲率、水平變形3 項(xiàng)量化指標(biāo)來進(jìn)行判斷。同時(shí)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03—2011）［12］中對這3 項(xiàng)判定指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。該研究按照此細(xì)則進(jìn)行分析評價(jià)，具體變形值見表2。

表2 采空區(qū)地基容許變形值

4.1 剩余變形計(jì)算參數(shù)的選取

4.1.1 采空區(qū)地表剩余下沉系數(shù)的選取

采空區(qū)的地表剩余下沉變形是地表累積下沉變形的延續(xù)發(fā)展，其原理是煤層開采完畢后頂板逐漸冒落，破碎巖塊間的縫隙在經(jīng)過長時(shí)間后逐漸密實(shí)形成的。而采空區(qū)地表剩余下沉系數(shù)的取值由以下3 項(xiàng)參數(shù)確定：地表最終的極限下沉系數(shù)qM、充分采動條件下的地表實(shí)測下沉系數(shù)q、常規(guī)移動結(jié)束時(shí)間，即Δq=k（qM-q），式中k為殘余變形時(shí)間影響系數(shù)，常規(guī)移動結(jié)束時(shí)間越長，k取值越大，反之越?。?3-15］。

由于煤礦停產(chǎn)時(shí)間較長，地表最終的極限下沉系數(shù)qM根據(jù)國內(nèi)其他煤礦相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)取1，地表實(shí)測下沉系數(shù)q按覆巖巖性選取0.8，k取1，根據(jù)公式計(jì)算得出下沉系數(shù)為0.2。將地表產(chǎn)生的累積變形量與剩余下沉系數(shù)相乘，得出地表下沉的剩余變形量。

4.1.2 采空區(qū)地表水平移動系數(shù)的選取

根據(jù)類似工程的地表變形監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，在剩余變形期內(nèi)，地表的移動變形形式主要是水平方向變形，剩余水平變形延續(xù)時(shí)間的長短與開采工作面推進(jìn)速度、覆巖巖性、開采深度和方法等因素有關(guān)。在相同開采條件下，上覆巖層越硬、開采深度越大，剩余水平變形延續(xù)時(shí)間越長［16］。

采空區(qū)地表移動一般經(jīng)歷4 個(gè)階段：初始期、活躍期、衰退期和剩余變形期，各時(shí)期的移動速度和移動量各不相同，其中前3 個(gè)時(shí)期的時(shí)間總和稱為采動影響期。根據(jù)Saiustowicz 提出的動態(tài)水平動量計(jì)算公式，設(shè)采動影響期為T，采動影響的水平移動總量為U（T），剩余水平移動量［17］為

式中：U余為剩余水平移動量，mm/m；Umax為最大水平移動值，mm/m；C為埋深、巖性系數(shù)，一般取值范圍為1.0～3.0；T為從移動變形開始到某一時(shí)間點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，a。

根據(jù)公式計(jì)算，剩余變形的水平移動系數(shù)為0.24，再通過累積變形的最大水平移動值乘以水平移動系數(shù)，得出水平移動的剩余變形量。

4.2 地下開采對高速公路關(guān)鍵工程的影響分析

4.2.1 地表剩余下沉變形分析

1）K 線隧道底板。K 線隧道底板Z方向剩余變形等值線如圖4 所示。通過傾斜變形等值線可以看出，Y 煤礦范圍內(nèi)隧道底板位置的傾斜變形值為0.1～1.1 mm/m，曲率值小于0.1 mm/m2，均小于容許變形值。

圖4 K 線隧道底板Z 方向剩余變形等值線

2）A 線特大橋。A 線地表Z方向剩余變形等值線如圖5 所示。通過傾斜、曲率變形等值線可以得出，Y 煤礦礦界范圍內(nèi)A 線全路段傾斜變形值均小于0.1 mm/m，曲率均小于0.004 mm/m2，均未超過規(guī)程容許變形值。

圖5 A 線地表Z 方向剩余變形等值線

4.2.2 地表剩余水平變形分析

1）K 線隧道底板。K 線隧道底板水平方向剩余變形等值線如圖6 所示。通過隧道底板X、Y方向水平變形等值線可以看出Y 煤礦礦界范圍內(nèi)隧道底板X方向水平變形值在1.15～1.5 mm/m，未超過規(guī)程容許值，但K15+600 樁號附近隧道底板Y方向水平變形達(dá)到2～3.5 mm/m，超過規(guī)程容許變形值。

圖6 K 線隧道底板水平方向剩余變形等值線

2）A 線特大橋。A 線地表水平方向剩余變形等值線如圖7 所示。通過X、Y方向水平變形等值線可以看出，Y 煤礦礦界范圍內(nèi)A 線全路段X方向水平變形小于0.2 mm/m，Y方向水平變形值在0.3～0.4 mm/m，均小于規(guī)程容許值。

圖7 A 線地表水平方向剩余變形等值線

4.3 地表影響范圍的劃定

對Y、D 煤礦煤層開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對空區(qū)形成后的K 線隧道底板位置及A 線特大橋地表變形進(jìn)行了綜合分析。由于煤礦停產(chǎn)時(shí)間較長，根據(jù)相關(guān)規(guī)程可認(rèn)定采空區(qū)頂板基本垮落完全。因此還需進(jìn)一步對采空區(qū)上覆巖層后期可能產(chǎn)生的剩余變形影響進(jìn)行分析。通過計(jì)算，K 線ZK15+520～ZK15+730 路段的水平變形仍超過了規(guī)程容許變形值，A 線全路段的水平變形、傾斜變形、曲率均小于容許變形值，安全性及穩(wěn)定性較K 線好。變形曲線對照圖如圖8 所示。

圖8 K 線、A 線水平變形、傾斜變形曲線與高速公路工程對照圖

5 結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)合相關(guān)規(guī)范分析，兩座煤礦2004—2013 年形成采空區(qū)，由于開采過程中采用陷落法管理頂板且采空區(qū)形成時(shí)間較長，頂板已基本垮落，但未能完全充實(shí)或處于半密實(shí)狀態(tài)，采空區(qū)上覆巖層仍處于剩余變形期。剩余變形對地表高速公路工程的建設(shè)及運(yùn)行仍會產(chǎn)生危害。

2）根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，兩條擬選線路中，K 線隧道部分路段下伏采空區(qū)垮落引起的剩余變形超出高速公路地基容許變形上限值，剩余水平變形值比規(guī)范容許變形值（2 mm/m）多75%，超標(biāo)路段總長210 m，對隧道穩(wěn)定性影響較大；A 線特大橋從煤礦工業(yè)廣場保安煤柱上方通過，且距采空區(qū)較遠(yuǎn)，受采空區(qū)覆巖移動變形較小且其傾斜、曲率及水平變形均未超出規(guī)程容許范圍。

3）根據(jù)A 線、K 線與煤礦的空間位置關(guān)系，結(jié)合2 條比較線路關(guān)鍵工程特點(diǎn)。A 線以橋梁的形式從Y 煤礦上方通過，橋梁下方ZK15+464～ZK15+513為礦山水平運(yùn)輸巷道，線路距采空區(qū)最短距離為186 m；K 線以隧道的形式從Y 煤礦礦界范圍通過，其中ZK15+481～ZK15+642 段從煤礦采空區(qū)正上方通過，線路距采空區(qū)距離為60～166 m，考慮到K 線從煤礦采空區(qū)正上方通過，且采空區(qū)引起覆巖移動變形對隧道影響較為顯著，2 條線路相比較，A 線安全性更有保障。

4）針對該工程的總結(jié)與建議：建議在A 線施工前進(jìn)一步探明采空區(qū)及早期近地表民采采空區(qū)的分布情況。在對橋梁進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使橋梁樁基避開民采空區(qū)。建議對A 線橋梁下方煤礦主運(yùn)輸巷道進(jìn)行充填封堵處理，劃定煤礦禁采區(qū)范圍，禁止從事包括運(yùn)輸、行人等任何形式的采礦活動。