連躍東 李 悅

（1.山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046200；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，天津 300456）

公路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通系統(tǒng)的重要組成部分，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用[1]。山西大平煤業(yè)正在進(jìn)行3112 工作面的采煤工作，該工作面正上方有G208 國(guó)道由西北向東跨過(guò)采區(qū)。由于該通行路段屬于城鄉(xiāng)主要交通路段，是礦方采煤運(yùn)輸?shù)奈ㄒ宦肪€，煤礦開(kāi)采工作不可避免地對(duì)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(huì)對(duì)路面造成破壞，影響正常通行。所以分析G208 國(guó)道受到的采動(dòng)影響以及研究如何在煤礦正常開(kāi)采的情況下保護(hù)道路暢通，保證G208 國(guó)道的正常通行，是非常有必要的[2-3]。

1 工作面的地質(zhì)采礦條件及國(guó)道情況

大平煤礦為山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)和個(gè)人聯(lián)合持股煤炭開(kāi)采企業(yè)，年生產(chǎn)能力120 萬(wàn)t，主采二疊系下統(tǒng)3#煤層。其中3112 工作面寬度191 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1100 m，地表較為平坦，平均標(biāo)高+887 m，底板標(biāo)高為+550～+670 m。工作面上方區(qū)域第四系厚約13～20 m，區(qū)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(qū)域傾角較小，采用了長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤一次采全高開(kāi)采工藝，采用全部垮落法管理頂板，已累計(jì)開(kāi)采約410 m。

G208 國(guó)道與工作面位置關(guān)系如圖1。公路從工作面的西北方向進(jìn)入工作面上方，自西向東穿過(guò)采煤區(qū)，采煤區(qū)內(nèi)公路線長(zhǎng)約650 m。

圖1 3112 工作面和G208 國(guó)道相對(duì)位置圖

2 工作面開(kāi)采沉陷變形預(yù)計(jì)

3112 工作面正在開(kāi)采區(qū)域正在G208 國(guó)道下方，隨著工作面推進(jìn)，公路持續(xù)受到沉陷變形的影響。預(yù)計(jì)沉陷變形時(shí)，先要考慮正在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的沉陷變形影響，也要考慮后續(xù)的殘余變形對(duì)公路造成的影響。

地表沉陷變形計(jì)算采用我國(guó)常用的概率積分法[4]，計(jì)算參數(shù)選取主要依據(jù)該礦區(qū)的地表移動(dòng)參數(shù)，同時(shí)充分考慮井下工作面開(kāi)采的地質(zhì)采礦條件。選取的計(jì)算參數(shù)有下沉系數(shù)q取值0.8，水平移動(dòng)系數(shù)b取值0.3，主要影響角正切tgβ取值2.3，開(kāi)采影響傳播系數(shù)k取值0.6，拐點(diǎn)偏移距s/H取值0.06。經(jīng)過(guò)計(jì)算，求得G208 國(guó)道因3112 工作面開(kāi)采的地表下沉等值線圖如圖2。

圖2 國(guó)道208 受3112 工作面開(kāi)采影響下沉等值線圖

根據(jù)3112 開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，公路G208 受工作面開(kāi)采影響段長(zhǎng)約890 m（下沉值超過(guò)100 mm），其他路段幾乎不會(huì)受到沉陷變形的影響。以G208 國(guó)道受影響路段外20 m 處開(kāi)始由東向西的公路為橫軸，每一點(diǎn)的下沉值為縱軸，繪制受開(kāi)采影響范圍內(nèi)的G208 路段的下沉曲線圖如圖3。

根據(jù)下沉曲線圖所示，受影響區(qū)間路段下沉值將達(dá)到0.1～4.8 m，東西兩側(cè)的下沉值較小，由東西兩側(cè)向中間下沉值持續(xù)增大。整個(gè)受影響路段中，工作面正上方600 m 的路段，下沉達(dá)到了3 m 以上，屬于受到最嚴(yán)重的沉陷破壞影響，以及同時(shí)受到傾斜變形和水平移動(dòng)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(duì)較輕，路面的損壞程度不太明顯。通過(guò)開(kāi)采沉陷變形預(yù)計(jì)的研究，可以劃分受災(zāi)路面的嚴(yán)重程度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(wěn)定性

工作面開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)在巖層形成采空區(qū)，導(dǎo)致巖體發(fā)生移動(dòng)變形和破壞，形成垮落裂縫帶。道路的荷載對(duì)地表下方有一定的影響距離，垮落裂縫帶的發(fā)育影響到道路的荷載距離時(shí)，會(huì)對(duì)路基造成重大的移動(dòng)變形災(zāi)害[5]。

G208 公路的荷載包括路基的靜態(tài)荷載和道路上方行駛車輛所造成的動(dòng)態(tài)荷載兩部分?？紤]G208的路基現(xiàn)況，靜態(tài)荷載的影響程度有限，最大3 m；動(dòng)態(tài)荷載部分屬于車輛長(zhǎng)期循環(huán)的一種荷載，其影響程度和路基高度是減線性函數(shù)關(guān)系，和車輛荷載是拋物線增函數(shù)關(guān)系。G208 道路上的車輛多數(shù)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(tài)荷載和動(dòng)態(tài)荷載，G208 的公路荷載影響深度約為地表下9～17 m。

采空區(qū)造成的垮落裂縫帶的發(fā)育高度需要考慮開(kāi)采煤層的相關(guān)數(shù)據(jù)，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(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，所以巖性中硬偏硬，計(jì)算公式如下[6]：

式中：∑M為煤層的累計(jì)采厚，m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，3112 工作面采空區(qū)垮落裂縫帶的最大發(fā)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(guó)道G208 的最大荷載影響深度為17 m，所以3112 的開(kāi)采不會(huì)影響到國(guó)道G208 的路基穩(wěn)定性，不會(huì)造成大面積沉陷災(zāi)害，道路受到的沉陷破壞程度在一定的范圍內(nèi)，道路在采用保護(hù)措施后能夠正常通行。

4 道路的現(xiàn)狀

G208 路面多處路段出現(xiàn)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?yōu)樾⌒偷钠茐目樱徊糠致范纬霈F(xiàn)明顯下沉，道路出現(xiàn)上下坡，起伏不定；嚴(yán)重地段受地表劇烈壓縮和拉伸變形作用，中間路段路面發(fā)生錯(cuò)斷和鼓起，影響車輛正常行駛；道路整體向南側(cè)偏斜，路基形成小的滑坡；東西兩側(cè)路段受開(kāi)采影響程度相對(duì)較小，中部路段受破壞影響相對(duì)嚴(yán)重和集中。

根據(jù)前面對(duì)工作面開(kāi)采沉陷的研究和路基穩(wěn)定性的分析，G208 國(guó)道雖然穿過(guò)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(guó)道G208在3112開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)行的同時(shí)正常、安全的使用。

5 道路的采動(dòng)保護(hù)措施

3112 工作面采動(dòng)產(chǎn)生的地表沉降變形，必然對(duì)G208 國(guó)道安全行車產(chǎn)生影響，保證采動(dòng)影響破壞后的路面結(jié)構(gòu)完好、路面變形處于允許范圍內(nèi)，保證公路安全、正常運(yùn)行，需采取以下保護(hù)措施。

1）在國(guó)道G208 受影響段路面兩側(cè)設(shè)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(guò)快引發(fā)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(duì)于國(guó)道G208 路面出現(xiàn)的開(kāi)裂、破損，采取填縫補(bǔ)強(qiáng)鋪平的方法處理；對(duì)于路面出現(xiàn)的凸起、鼓包采用鑿除后重新補(bǔ)平并且鋪設(shè)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(fù)傾斜的方法。為了保證公路的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)于路面的狀況要實(shí)時(shí)掌握，建立觀測(cè)站定期進(jìn)行沉陷變形監(jiān)測(cè)和定期的路面巡視，及時(shí)修復(fù)路面，不影響車輛的正常行駛。

3）由于地表沉陷破壞嚴(yán)重，路面破壞程度已不是簡(jiǎn)單修復(fù)方法可以處理的時(shí)候，要及時(shí)封鎖相關(guān)路段，挖出破壞嚴(yán)重的路面，重新對(duì)路基進(jìn)行加固。新路面可采用改性瀝青技術(shù)，或者采用設(shè)置變形縫的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)與地表變形方向一致的鋼筋骨架，根據(jù)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(qiáng)度。

4）加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)及道路下方的斷裂結(jié)構(gòu)的探測(cè)，必要時(shí)可采用明挖回填、對(duì)離層彎曲帶進(jìn)行注漿的辦法來(lái)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(yù)壓法、高能強(qiáng)夯法和水誘導(dǎo)沉降法等釋放老采空區(qū)的沉降潛力，加速老采空區(qū)活化和覆巖沉降過(guò)程，消除對(duì)地表有安全隱患的地下空洞，保證公路更快的恢復(fù)通行。

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

6）采動(dòng)影響沉降變形趨于穩(wěn)定后，依然要加強(qiáng)路基路面的定期巡視和監(jiān)測(cè)，及時(shí)清理排水溝渠，保證公路養(yǎng)護(hù)工作的及時(shí)到位，防止殘余變形妨礙道路的正常通行。

6 結(jié)論

結(jié)合3112 煤礦區(qū)域地質(zhì)采礦條件，針對(duì)煤層開(kāi)采的情況，首先對(duì)3112 進(jìn)行開(kāi)采沉陷變形預(yù)計(jì)，劃分G208 國(guó)道受到開(kāi)采損害范圍和程度區(qū)間；其次通過(guò)開(kāi)采沉陷變形結(jié)合道路受到的荷載情況分析得出G208 國(guó)道路基不會(huì)受到采煤開(kāi)采破壞，確保了公路不會(huì)遭到重大的地災(zāi)損壞；最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際破壞現(xiàn)狀，針對(duì)公路可能出現(xiàn)的塌陷、開(kāi)裂、傾斜和部分結(jié)構(gòu)斷裂，采取針對(duì)性保護(hù)措施，保證公路在工作面正常開(kāi)采下的安全通行。