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高速公路下煤矿采空区变形分析及其治理

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第29卷第6期 2009年1 1月 西 安科技 大 学 学 报 Vo1.29 No.6 NOV.2O09 JOURNAL OF XI AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 文章编号:1672—9315(2009)06—0697—05 高速公路下煤矿采空区变形分析及其治理 董小波,饶 晓,郭良春 (西安科技大学地质与环境学院,陕西西安,710054) 摘要:在奉节至巫溪高速公路沿线煤矿采空区工程地质调查的基础上,论述了公路沿线煤矿采 空区地质、采矿、采空区等特征,并对沿线煤矿采空区对桥梁、隧道、路基等构筑物的危害程度进 行分析与评价。结果表明,该高速公路下覆的煤矿采空区变形尚未完成,采空区所引起的地表变 形将对寂静特大桥、惠家湾隧道、喜口池隧道施工及运营有显著影响,必须采取采空区注浆工程 治理措施。 关键词:高速公路;煤矿采空区稳定性分析;特大桥;隧道 中图分类号:TD 32 文献标志码:A 奉节至巫溪高速公路起点位于奉节新县城东约5 km的梅溪河左岸,终点位于巫溪县城南西约5 km 处的龙洞湾,与奉节至巫山高速公路相接。路线经过奉节县重要产煤区寂静乡段,穿越多处煤矿采空区, 且采空区多分布在桥梁、隧道路段下方,这无疑对公路的修建及运营安全带来一定的隐患。因此,通过工 程地质勘察来查明该路段的采空区分布情况及特征,并对该路段下覆采空区的稳定性进行评价,进而提 出合理的防治措施是十分必要的。 1煤矿地质与采矿特征 高速公路在寂静乡段穿越定富煤矿、水田包煤矿、保发煤矿、金富煤矿等矿区。煤矿采空区主要分布 在K7+305一K9+840路段之间,处于高山山地斜坡地带。出露地层自上而下有侏罗系下统珍珠冲组(J zh)、中统自流井组(J zh)、三叠系中统巴东组(T:b)、三叠系上统须家河组(T,xj)。主要有第四系松散 坡积物、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂质页岩夹泥岩。地质构造以褶皱为主,断裂不发育,主要是 由两个小向斜(敬老院(B6)、曾家老屋(B7))和一个小背斜组成的寂静复式向斜(B5复式向斜)。轴部位 于K7+200(小背斜轴部)处,褶皱轴走向为95。或275。。区内断层不发育,未见大的断裂构造,未见有活 断层。区内水文地质条件较为复杂,主要含水层为碎屑岩类裂隙水。岩性以碎屑岩、页岩泥岩及煤层为 主,具有多层含水的特点。基岩节理裂隙发育,地下水接受降水补给、运移条件极好,储集条件极差。因 此,地下水贫乏。 该路段煤矿采空区调查情况表明:定富煤矿、水田包煤矿主要开采K4煤层。K 煤层厚0.25~0.35 m,平均厚度0.30 m,倾角2O~56。。煤层埋深48—76 m,煤层顶底板为泥质粉砂岩。采空区地层为三叠 系上统须家河组第五段含煤地层(T3xj )。采煤工艺为手镐落煤、放炮落煤,回采率达80%。矸石回填采 空区,顶板管理采用自然垮落法,采空区半充填。保发煤矿、金富煤矿主要开采K 煤层,厚0.28~0.42 rn, 均厚0.35 rn,煤层埋深120~160 m.煤层顶底板为泥质粉砂岩。采空区地层为三叠系上统须家河组第三 段含煤地层(T xj ),所用采煤工艺与定富煤矿相同。 2煤矿采空区影响范围及特征 经煤矿地质、采矿调查,高速公路沿线采空区分布见表1,其中影响寂静特大桥LK7+285一LK7+395 (RK7+305--RK7+405)段的采空区为2006年以后开采,LK7+395一LK7+685(RK7+405一RK7+ 收稿日期:2009—05—18 作者简介:董小波(1986一),男,安徽安庆人,硕士研究生,主要从事煤矿采空区及边坡稳定性方面的研究 698 西安科技 大 学 学报 2009卑 565)段的采空区为20世纪80~90年采,采空区的埋深为64~75 m;影响惠家湾隧道LK8+148一 LK8+220(RK8+138一RK8+157)段的采空区为2005年以前开采;LK7+900--LK8+100(RK7+900一 RK8+138)段采空区为2006--2008年开采,由于该段所采K 煤层分有3层,目前为多层同时开采,路线 下方采空区的埋深为46~78 m;影响喜口池隧道LK9+325一LK9+600(RK9+32l—RK9+576)段的采 空区于2005年以前开采。其中在LK9+538(RK9+526)段附近金富煤矿采空区与喜口池隧道相交,采空 区与喜口池隧道垂直距离0~88 ITI,影响路线长度为255 in. 采空区工程地质调查结果表明:该地区采空区埋深为50~160 m,采空区厚度0.3~0.4 ITI,煤层较薄, 且伪顶在采矿工作完成后已基本冒落,垮落带高度在1~2 Ill,裂隙带发育高度3.5—7 ITI.由于煤层开采方 式为手镐落煤,而且在开采过程中,矸石就基本被回填在矿坑中,加上伪顶已冒落,采空区基本上处于半 充填状态。公路沿线采空区地面塌陷情况调查显示,沿线采空区未发生地表沉降变形。其主要原因:① 煤层埋藏较深,_I二覆岩层为三叠系须家河组中厚层状粉砂岩、细砂岩,这种覆岩结构导致采空区未塌陷完 全;②煤层薄,小矿开采,采空区面积不大,且分布不规则,采空区变形缓慢;③小矿开采预留较多煤柱、开 采过程中矸石回填、用砂岩条石支撑采煤巷道等措施使得采空区变形不完全。 表1 煤矿采空区分布一览表 Tab.1 Distribution of gob along the freeway 3煤矿采空区对公路工程危害程度的评价 3.1评价标准 1)现行《公路路基设计规范》(JTJD30—2004)第7.6.4.2条,对路面设计使用年限内残余沉降(简称 工后沉降)规定如下:桥台与路堤毗邻处≤0.1 m,涵洞或箱型通道处≤O.2 m,一般路段≤0.3 m. 2)关于桥梁墩台沉降及位移规定。依据交通部《公路桥涵设计规范》(JTGD61—2005),相邻墩台间 均匀沉降差(不包括施工中沉降)不应使桥面形成大于2%0的纵坡,对于超静定桥梁结构,桥梁墩台问的均 匀沉降差除应满足上述要求外,尚应满足结构的受力要求。根据超静定桥梁结构设计经验,墩台不均匀 沉降一般不容许超过1.5 em,否则不均匀沉降所引起的附加应力将危及结构的安全性与适用性。 3)关于隧道变形及位移规定。参考《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004),隧道开挖断面考虑初期 支护预留适当的变形量。变形量的大《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)表8.4.1中标准:当 隧道围岩级为Ⅲ级时,两车道隧道为20~50 mm;当隧道围岩级为Ⅳ级时,两车道隧道为50~80 mm;当隧 道围岩级为V级时,两车道隧道为80~120 mm,并根据现场监控量测结果进行调整。 3.2地表变形预测计算 根据《矿山开采沉陷学》中对现采空区地表移动和变形的经验计算公式 卜 =mqcos OZ. (1) 式中 为最大下沉量;m为煤层开采厚度,m; 为煤层倾角(。);g为下沉系数,参照三叠系上统须家 河组的地层参数,采用经验类比法,下沉系数(q)取值为0.7. 第6期 董小波等:高速公路下煤矿采空区变形分析及其治理 699 i = /r=Wm /(H/tg卢). (2) 式中 为最大倾斜值;r为主要影响半径,其值为采深与主要影响角正切t 的比,采用经验类比法确 Kma =±1.52 W/r . (3) 定卢=6—0.6a,走向移动角6=70。;其他参数意义同上。 式中K 为最大曲率值,mm/m ;其他参数意义同上。 =bWm。 . (4) 式中 式中 为最大水平移动,mm;b为水平移动系数,取值0.20;其他参数意义同上。 s:±1.52bWm /r. (5) 为最大水平变形值,mm/m;其他参数意义同上。 式(1)至(5)均为最大变形量计算公式。当采空区形成一段时间后,地表沉降量的大小随时间的推移 而逐渐减小,在公路修建或运营之前,煤矿采空区已形成若干年,其剩余变形量起主要的控制作用。当评 价剩余变形时一般是用Sulstowicz假说“盆地体积的增长率与开挖区内未压密的体积成正比”,即 W=Wm {1一exp(一ct)}. (6) 式中 为最大沉降量;c为岩石采深参数; 为下沉持续时间。 ,采空区形成10 a以上,总变形量的90%已完成,剩余变形 上式中c的确定是关键,在国内这方面研究不多,尚未形成系统资料,一般c取值范围为1.5~3.0.根 据上述公式和已有的煤矿采空区观测经验 量约10%左右;采空区形成3~10 a以后,总变形量的85%已完成,剩余变形量约15%左右;采空区形成 3 a以内,总变形量的75%已完成,剩余变形量约25%左右。据此,沿线各矿采空区的地表剩余变形量见 表2. 表2 沿线各矿采空区地表剩余变形量计算表 Tab.2 Remaining deformations of every gob under the freeway 3.3采空区对高速公路构筑物影响评价 根据预计法预测分析:寂静特大桥LK7+285一LK7+395(RK7+305一RK7+405)段的采空区最大 剩余下沉量为45 mm,LK7+395一LK7+685(RK7+405一RK7+565)路段采空区最大剩余下沉量为 4 mm.依据交通部《公路桥梁设计规范》(JTGD61—2005),墩台不均匀沉降一般不容许超过1.5 cm.LK7 +285一LK7+395(RK7+305一RK7+405)路段采空区将对拟建公路桥基造成安全隐患。 惠家湾隧道LK7+900--LK8+100(RK7+900--RK8+138)段采空区为多层重复开采,最大剩余下沉 700 西安科技大 学 学报 2009年 量为146 mm,RK8+l38一RK8+175段最大剩余下沉量为87.6 mm.该路段采空区的最大剩余下沉量大 于《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)中初期支护预留变形量的限值,对隧道施工及运营将造成安全 隐患。 路基(LK8+57O—LK8+930(RK8+536--RK8+930))段采空区最大剩余下沉量为87.6~146 mm, 满足《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ 017—96)中对路面设计使用年限内残余沉降(简称 工后沉降)规定要求:桥台与路堤毗邻处≤0.1 m,涵洞或箱型通道处≤0.2 m,一般路段≤0.3 m.该路段 采空区对拟建公路路基影响较小,可不考虑采空区治理工程措施。 喜口池隧道LK9+325一LK9+600(RK9+321--RK9+576)段采空区开采剩余下沉量为27 mm,剩余 水平位移为5.4 mm.LK9+620iLK9+840(RK9+6 ̄--RK9+821)段采空区开采剩余下沉量为30 mm, 剩余水平位移为6 mm.该路段采空区的最大剩余下沉量大于《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)中初 期支护预留变形量的限值,对隧道施工及运营将造成安全隐患。同时,采空区与隧道相交,将直接影响到 隧道施工。 4采空区治理措施建议 采空区治理方案主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定,有桥或板跨采空区方案、注 浆治理方案、隧道内超前小导管预注浆方案及修建后维修的方案等。 桥跨采空区方案是将桩基放在采空区下部的稳定地层之上,采用桥的方式通过采空区。该方法主要 适用于煤层开采规模较小、开采深度较小的采空区。该方法缺点是桩基相对深度大,施工困难,工程费用 大。 注浆治理方案是在地面上打孔,通过注浆孔将水泥粉煤灰浆注入采空区,其结石体不仅充填到采空 区及上覆岩层的裂隙中,同时阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落。注浆法主要适用于处理埋深较大、不具 备洞下人工施工的采空区。注浆法治理方案的优点是施工相对简单,安全性高,施工工艺成熟,施工易于 管理、治理后的采空区路基能满足公路工程的要求;缺点是材料用量较大 』。 隧道内超前小导管预注浆方案是沿隧道纵向在拱部开挖轮廓线外一定范围内,向前上方倾斜一定角 度的密排注浆花管,通过注浆泵的压力,将水泥浆液通过小导管渗透、扩散到岩体孔隙和裂隙中,以改善 和增强围岩的力学性能。在预挖隧洞周围形成一层止水、稳定的承载壳,同时,管体又可起到超前锚杆的 作用,从而达到延长岩体的自稳时间,提高开挖面周围岩体的自稳能力,地层松弛变形。施工时,注 浆花管外露端,支于开挖面后的格栅钢架上,共同组成预支护系统。该方案具有以下特点:①大管棚刚度 大、结构强度高,所形成的拱棚承载能力强;②一次支护长度大,可以减少超前支护的次数,缩短施工时 间;③由工程经验得知,大管棚预注浆支护效果可靠,劳动消耗量相对较少,虽然材料费用要高些,但安全 系数也能相对提高,可望能有效地保持隧道周边围岩的稳定,确保施工安全等 。 公路修建后维修方案是指在采空区路段可考虑先修建高速公路,然后在运营期间,对该路段进行维 修。该方案一般适用于采空区治理工程投资占公路工程投资比例较大或一、二级公路的情况。 采空区变形量预计法计算结果分析表明,寂静特大桥段采空区不满足《公路桥梁设计规范》要求,且 采空区埋深较大。参照已有公路采空区治理的经验,建议对该影响路段采空区采用地面注浆方案进行治 理。 采空区变形量预计法计算结果分析表明,惠家湾隧道和喜口池隧道段采空区不满足《公路隧道设计 规范》要求,采空区埋深达120~160 m,且上层覆岩多以中厚层状粉砂岩、细砂岩为主,隧道部分路段与采 空区相交,参照相关隧道采空区治理的经验,对于该路段采空区的治理方案建议采用超前小导管预注浆 方案进行治理 5 结论 1)工程地质勘察、采矿调查表明:定富、水田包等煤矿属小煤矿开采,煤层薄,采空区埋深较大且煤层 顶底板稳定,煤矿采空程度低,采空区半充填。目前,公路沿线采空区未发生有地面变形沉降。 2)依据采空区地表变形经验计算,参考公路路基、桥梁、隧道施工规范,沿线采空区剩余变形量不满 第6期 董小波等:高速公路下煤矿采空区变形分析及其治理 701 足桥梁、隧道安全施工要求,对其施工及安全运营潜在危害程度大。 3)依据采空区地表的变形特征、地质与采矿特征等因素,分析各种采空区处治的优缺点,建议对寂静 特大桥、惠家湾隧道、喜口池隧道采空区影响路段进行注浆充填处理,使得采空区恢复到接近原始岩体状 态,彻底消除采动后破碎岩体的移动变形空间,达到公路施工安全的目的。 参考文献 References 伦.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1989. 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Key words:freeway;gob area;analysis of stability;great bridge;tunnel Biography:DONG Xiao・bo,Candidate for Master,Xi an 710054,P.R.China,|re1:0086—15991984844,E—mail:rdaobo86.2007@yahoo com.an 

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