金仁桐高速公路采空區地質選線研究

金 鑫 敬興東 李金翔

(1.中國鐵建昆侖投資集團有限公司 成都 610041；2.中鐵十七局集團有限公司 太原 030006；3. 貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550001)

貴州省是西南地區煤炭生產主力省份，煤炭資源分布較廣，含煤面積約7萬平方公里，占全省土地面積40%以上。公路工程作為線性工程，由于空間跨度大，決定了其不可避免地要穿越煤礦區域，主要涉及礦產壓覆及煤礦采空區問題，公路通過煤礦采空區易產生路基下沉、橋梁變形、隧道變形及瓦斯突出等工程問題，且后期維護修復難度極大，因此，煤礦采空區問題已成為制約我省公路建設的技術瓶頸，采空區研究對于高速公路的合理選線至關重要[1]。

金沙經仁懷至桐梓高速公路是貴州省高速加密規劃網中12條強化路網銜接的高速公路之一，主線長105.167km。沿線通過的煤礦主要有泮水煤礦、云安煤礦、鼎興煤礦及桑樹灣煤礦，其中云安及鼎興煤礦分別在2004-2013年間開采期間形成一定規模的采空區。本文介紹了金仁桐高速公路穿越云安、鼎興煤礦路段地質選線，通過前期勘察和線路比較，擬選定A21線和K線兩條同精度比較線路。公路選線與云安煤礦和鼎興煤礦位置關系如圖1所示。

圖1 公路選線K&A21方案示意圖

1 礦山概況

云安煤礦和鼎興煤礦地處貴州省仁懷市，兩煤礦于2004年3月開始正式開采，并分別于2013年3月、2012年2月正式停采，兩煤礦后續將進一步整合。

1.1 地形地貌

云安、鼎興煤礦井田位于云貴高原之東北端，其中云安煤礦區內以高山及溶蝕坡地為主，礦區最高點標高為+1250.1m，最低點標高為+700.1m，相對高差為550m；鼎興煤礦區內以侵蝕盆地為主，區內最高海拔為+1265.5m，最低侵蝕基準面海拔約為+672.0m，相對高差593.5m。

1.2 礦區地質

出露地層自老至新有：二疊系下統茅口組(P1m)灰巖、二疊系上統龍潭組(P2l)砂頁巖、二疊系上統長興組(P2c)灰巖、三疊系下統夜郎組(T1y)泥(灰)巖及第四系(Q)。兩煤礦各煤層頂板均為粉砂巖、細砂巖、泥巖，抗拉強度低，底板多為泥巖，遇水易膨脹，產生底鼓現象。礦山在開采過程中，隨著采空區增大，圍巖會出現應力集中現象，井下可能會出現冒頂、片幫。

礦區地質構造屬簡單型。云安煤礦礦井位于長崗向斜南東翼，總體呈單斜構造，區內地層傾向340°～10°，傾角38°～48°，平均46°。鼎興煤礦礦區位于長崗向斜南翼，總體呈單斜構造，區內地層傾向大致為7°～10°，傾角40°～49°，一般43°左右，東陡西緩。區內斷層、次級褶皺不發育。

1.3 煤層特征

云安、鼎興煤礦礦區煤系屬于上二疊統龍潭組，層厚70～80m，平均74m。區內含煤9～13層，平均總厚8.0m，含煤系數7.22%，全區可采煤層C5、C7、C12，平均總厚11.1m，其可采含煤系數為12.3%。C10煤層局部可采，其余數層為不可采煤層。

1.4 礦山開拓和采煤方法

云安煤礦的開拓方式為平硐+斜井開拓，主要布置有主平硐、回風斜井兩個硐口；鼎興煤礦開拓方式為平硐開拓，主要布置有主平硐、回風平硐兩個硐口。云安、鼎興煤礦均采用走向長壁后退式采煤法，陷落法管理頂板。

2 采空區公路地質選線的原則

采空區公路選線過程中要考慮社會、自然等多重因素影響，妥善協調好不同矛盾、需求[2-4]。路線方案也是控制工程投資的關鍵，本著“安全、經濟、地質選線、有利于環境保護、符合地方規劃”的原則，對可能的路線方案進行全方位比選，選擇最優的路線方案，公路地質選線需遵循以下原則：

(1)選線應廣泛搜集與路線方案有關的規劃、計劃和統計資料，相關部門的各種地形、地質、采礦、氣象等資料，并深入現場對采空區進行專項調查與勘探，以避免遺漏有價值的路線方案。

(2)路線宜繞避開采密集、年代較早、不易查明或工程處治困難的大型、重要礦區或規劃礦區，應避開地下采空加劇或引發斜坡失穩、山體開裂、崩塌滑坡和地表沉陷等地質災害發育的危險區域。

(3)路線宜繞避人為坑洞分布密集的地帶，當必須通過人為坑洞路段時，宜繞避采空區地表變形活躍、移動盆地邊緣地帶、急傾斜礦層露頭與開采區域。

(4)當繞避有困難時，應在開展專項勘察的基礎上，盡可能選擇礦層薄、埋深大、傾角緩和垂直于礦層走向等的有利部位，對采空區進行必要的處理后通過。

(5)路線宜設在充分采動或接近充分采動的采空區地表移動盆地中部平底部分和勘察定性為基本穩定～穩定區域；宜大角度穿越沉陷盆地。

(6)對正在開采或批準計劃開采的礦區，應對礦區的開采狀況進行調查，了解礦區規劃。為避免壓礦，路線應盡可能繞避，必須通過時，應與有關部門協商，采取措施后從安全地帶通過[5]。

3 采空區及同精度路線方案基本情況

3.1 采空區基本情況

(1)淺層采空區：兩煤礦采煤歷史悠久，井田范圍內小煤窯開采時間長達20年以上，一般以獨眼井的形式開采，主要開采C5、C7、C12煤層淺部，但開采規模一般較小，開采斜長約為50～100m，開采深度小于50m。A21線路通過地段地表未見塌陷區及垮塌，且淺層采空區距擬建橋梁較遠，對擬建橋梁無影響。

(2)深層采空區：線路ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段云安煤礦深層采空區。YK15+470～YK15+570右77～105m為鼎興煤礦深層采空區。根據礦山提供圖紙及現場訪談，擬建高速公路云安煤礦段+745m～+850m標高范圍C5、C7煤層已基本采完，鼎興煤礦段礦區工業廣場保安煤柱東翼+750m～+870m標高范圍C5、C7、C12煤層已基本采完，礦區工業廣場保安煤柱西翼+750m～+870m標高范圍C5、C7煤層已基本采完，兩煤礦回采率均達到80%以上，并在井下形成了一定規模的采空區。

云安煤礦礦井絕對瓦斯涌出量為5.52m3/min，相對瓦斯涌出量為29.55m3/t，絕對二氧化碳涌出量為1.04m3/min，相對二氧化碳涌出量為5.57m3/t，云安煤礦為高瓦斯礦井，煤塵無爆炸性，煤層自然發火等級為三類。通過收集資料及瓦斯測試綜合分析，隧道穿煤段瓦斯含量高、瓦斯壓力大(0.77MPa)，存在煤與瓦斯突出危險性。因此隧道應按高瓦斯、煤與瓦斯突出隧道設計。

3.2 同精度路線方案基本情況

根據該段路線方案的總體優化設計，在路線上走廊帶基本確定的情況下，結合沿線地質條件、地形地物和礦區規劃考慮，對A21和K線2個同精度路線方案進行比選分析。高速公路兩線路與煤礦采空區空間位置關系如圖2所示。

圖2 線路平面空間位置關系圖

A21線由寒婆嶺特長隧道進口前K8+000引出，寒婆嶺隧道長7205m，出隧道至打丘婭，進入仁懷境，路線在打丘婭設打丘婭大橋(3×40+66+2×120+66+5×40)，打丘婭隧道長555m，出隧道后設大壩田特大橋。ZK15+457～ZK15+891(YK15+467～YK15+901)通過仁懷市五馬鎮云安煤礦，ZK15+526～ZK15+802段經過云安煤礦工業廣場保護煤柱。打丘婭特大橋線路橋型方案設計主要考慮能跨越凹型溝谷的連續剛構方案，位于礦界范圍內長度約為434m，線路距云安煤礦+745m主運輸巷道垂直距離為40～60m。煤礦深層采空區位于線路兩側，左側深層采空區距線路邊緣110m，右側距線路邊緣185m。

K線ZK15+255～ZK15+742(YK15+314～YK15+735)通過仁懷市五馬鎮云安煤礦，線路ZK15+002～ZK15+371段為煤系地層出露段，線路以寒婆嶺隧道通過，其中ZK15+481～ZK15+642(YK15+482～YK15+643)段通過云安煤礦東深層采空區及鼎興煤礦西深層采空區。兩同精度比較線在煤系地層段水平距離約900m。

4 采空區穩定性評價研究

4.1 淺層采空區穩定性評價

針對礦區淺層采空區，可根據《采空區公路設計與施工技術細則》，采用極限平衡法計算維持頂板穩定的臨界深度Hcr，計算公式如下：

(1)

式中：B——采空區寬度(m)；

p0——公路路基基底壓力，包括行車載荷及路基、路面荷載(kPa)，根據《公路工程技術標準》，行車載荷取550kPa；

γ——上覆巖層加權平均重度(kN/m3)，取27kN/m3；

φ——上覆巖層加權內摩擦角(°)，綜合取35°；

μ——上覆巖層加權平均泊松比，綜合取0.3。

對比采空區的實際埋藏深度及臨界深度，可求得采空區頂板的穩定系數Fs：

式中：H——采空區頂板的實際深度(m)；

Hcr——采空區頂板的臨界深度(m)；

計算求得采空區頂板臨界深度為16.8m，當采空區埋深小于16.8m時，采空區場地處于不穩定狀態；當采空區埋深大于等于16.8m且小于25.2m時，采空區場地處于欠穩定狀態；當采空區埋深大于等于25.2m且小于33.6m時，采空區場地處于基本穩定狀態；當采空區埋深大于等于33.6m時采空區場地處于穩定狀態。綜上，在采空區埋深小于33.6m時采空區易于處理，對高速公路線位選擇影響不大。

4.2 深層采空區穩定性評價

由于云安煤礦、鼎興煤礦于2013年、2012年相繼停產，根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，終采時間大于730d的采空區可基本認定采空區頂板已完全垮落，穩定性較好。因此，需要對礦界范圍內A21線地表及K線隧道底板受深部采空區產生的剩余變形進行分析。本次分析采用了三維建模軟件及三維有限差分數值模擬軟件Flac3D數值模擬計算，通過Mohr-Coulomb本構模型準確反映出各地層及礦山相關工程和采空區之間的相對位置關系，并通過數值模擬計算的手段分析礦山采空區對高速公路相關工程的影響[6]。

4.2.1 K線寒婆嶺隧道

通過傾斜變形等值線圖可以看出，云安煤礦礦界范圍內隧道底板傾斜變形值為0.1～1.1mm/m之間(圖3)，曲率值小于0.1mm/m2(圖4)，均小于容許變形值。X方向水平變形值在1.15～1.5mm/m(圖5)，未超過規程容許值，但K15+600附近隧道底板Y方向水平變形達到2.0～3.5mm/m(圖6)，超過規程容許值。

圖3 K線傾斜變形等值線圖

圖4 K線曲率等值線圖

圖5 K線X方向水平變形

圖6 K線Y方向水平變形

4.2.2 A21線打丘婭特大橋

通過傾斜、曲率變形等值線圖可以得出，云安煤礦礦界范圍內A21線全路段傾斜變形值均小于0.1mm/m(圖7)，曲率均小于0.004mm/m2(圖8)，均未超過規程容許變形值。通過X、Y方向水平變形等值線圖可以看出，云安煤礦礦界范圍內A21線全路段X方向水平變形小于0.2mm/m(圖9)，Y方向水平變形值在0.3～0.4mm/m之間(圖10)，均小于規程容許值。

圖7 A21線傾斜變形等值線圖

圖8 A21線曲率等值線圖

圖9 A21線X方向水平變形

圖10 A21線Y方向水平變形

綜上，對淺層采空區而言，當民采小煤窯及巷道式采空區埋深小于25.2m時有發生垮冒的可能性并可能會對地表相關工程產生重大影響；由對深層采空區的計算結果分析可知，K線寒婆嶺隧道下伏采空區垮落引起的隧道底板剩余變形超出規程容許高速公路地基容許變形上限值，對隧道穩定性影響較大；A21線打丘婭特大橋從煤礦工業廣場保安煤柱上方通過，且距采空區較遠，受采空區覆巖移動變形較小且其傾斜、曲率及水平變形均未超出規程容許范圍。

5 高速公路選線綜合對比分析

(1)K線。由于K線寒婆嶺隧道距云安、鼎興煤礦C5、C7煤層采空區距離較近，煤層開采后形成的采空區剩余變形會對ZK15+520～ZK15+730段隧道底板產生較大水平變形影響，在未對隧道下方采空區進行處治的情況下對隧道進行施工，可能會在施工過程及隧道今后的運行過程中出現隧道頂、底板及側幫變形、開裂等現象，對隧道的整體安全性造成較大不良影響，需進行處治。

(2)A21線。打丘婭特大橋整體從云安煤礦保安礦柱上方經過，距采空區較遠，且橋梁地表受采空區剩余變形影響較小，A21ZK15+321～A21ZK+396路段地表處經現場勘查存在溶蝕拉溝裂谷及松動巖塊體，且A21ZK15+465～A21ZK15+517路段下伏云安煤礦+745m運輸及回風大巷與地表垂距約為40m，不良地質條件與煤礦運輸平巷可能對橋梁樁基的穩定性產生一定的影響，故需在高速公路周邊合理劃定禁采范圍，并對云安煤礦主平硐進行封堵處理，禁止在高速公路禁采范圍內從事包括行人、采礦等一切人為活動。

綜上，K線寒婆嶺隧道由于從采空區正上方通過，且距采空區距離較近，受采空區覆巖剩余移動變形影響顯著，ZK15+520～ZK15+730路段的水平變形值仍超過規程容許變形值，A21線地表控制性工程受采空區影響較小，且全路段的水平變形、傾斜變形、曲率均小于容許變形值，安全性及穩定性較K線好，故推薦A21線。

6 結語

在查明采空區范圍及地質條件等基礎上，分析評價采空區剩余變形對擬建公路的影響及工程處治難度是本項目采空區地質選線的關鍵。另外，對于規劃采礦范圍應劃定禁采區和留設保護煤柱，可防止在施工及運營階段二次采煤危及高速公路安全。