阳城至蟒河高速公路下伏采空区稳定性评价

常文伟

（山西路桥集团 阳蟒高速公路有限责任公司，山西 晋城 048000）

0 引言

山西省是煤炭资源大省，改革开放以来累计产出原煤百亿吨，为国家经济发展提供了重要的能源保障。煤矿开采方式多样，产生的采空区分布范围广，地质条件复杂。随着我国基础设施建设项目的加速实施，山西省许多地方修建高速公路都不可避免地要通过采空区。采空区不良地质问题已经成了困扰山西省高速公路建设的难题之一，在很大程度上阻碍了山西省高速公路建设事业的发展。

大量学者对高速公路穿越采空区的问题进行了研究[1-5]，但由于不同矿区的地质条件不同且差异较大、采空区影响高速公路的范围不同、采空区上方的公路基础设施类型不同，因此，为了保证穿越采空区公路的运营安全，应针对不同地质条件、不同开采方式的采空区进行具体的研究和分析。

阳蟒高速位于山西省晋城市阳城县境内，作为阳城至济源高速公路的重要组成部分，是山西省与河南省对接的省际公路通道之一。在前期工程地质勘察中，发现阳蟒高速设计路线在多处穿越采空区，对采空区上方的拟建路基、桥梁、边坡等造成了威胁。本文在充分掌握采空区路段地质条件、开采方式、采深、采厚、回采率等参数的基础上，对高速公路下伏采空区进行稳定性评价。

1 阳蟒高速公路煤矿采空区分布情况

通过资料搜集、调查与实测、物探与钻探等手段，探明沿线涉及到的煤矿有3座，分别为西河煤业演礼煤业采空区、西河煤业采空区、村办小煤窑采空区，其具体分布情况及参数见表1。

表1 阳蟒高速采空区分布情况表

2 采空区稳定性评价

采空区变形是一个复杂长期的过程，采矿条件、地质条件、开采时间、开采规模等多种因素均会对其产生影响。参照工程实践和煤矿地表移动变形观测资料，综合各种因素，采空区地基稳定性受地质条件、开采方式、采深、采厚、开采时间等多种因素影响，因此，对于房柱式开采非充分采动条件下，采空区的稳定性采用采深采厚比的参数对采空区稳定性进行评价，对于巷道式开采非充分采动条件下采空区的稳定性采用极限平衡法进行评价。

2.1 巷道稳定性评价

经调查访问、钻探，在西河枢纽巷道采空区、中寨大桥及北梁大桥下存在巷道式采空，采用极限平衡法计算，按松散岩体计算。

松散岩体计算公式：

式中：B为采空区巷道宽度，m；p0为公路路基基底压力，包括行车荷载及路基、路面荷载，kPa；γ为上覆岩层加权平均重度，kN/m2；φ为上覆岩层加权平均内摩擦角，（°）。

对比采空区的实际埋藏深度及临界深度，按式（2）可求得采空区顶板的稳定系数Fs，按照采空区公路设计与施工技术细则评价小窑采空区场地的稳定性。

式中：H为巷道顶板的实际深度，m；Hcr为巷道顶板的临界深度，m。

2.1.1 西河煤业下方巷道

该区微地貌为黄土陡坡和冲沟，巷道位于地表下埋深125～180 m，上覆岩土层平均厚度24 m，基岩平均厚度126 m。

根据室内试验资料，松散土层的重度取值18.6 kN/m3，岩石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆岩土层平均重度 γ=（18.6×24+27.5×136）/160=26.2 kN/m3，p0=50 kN/m2。巷道底板标高均为620 m，巷道高度均为4.3 m，其中巷道宽度均为7 m。

代入式（1）和式（2）进行计算，可得 Hcr=38.27 m，巷道顶板位于路线设计标高下120～160 m，稳定系数Fs=3.1～4.2，根据表2稳定性等级评价标准，巷道对高速公路的稳定性无影响。

表2 单一巷道式采空区场地稳定性等级评价标准

2.1.2 中寨大桥

该区微地貌为黄土陡坡和冲沟，巷道位于地表下埋深130～153 m，采空区位于设计标高下135～153 m，上覆土层平均厚度24 m，基岩平均厚度111 m。

根据室内试验资料，松散土层的重度取值18.6 kN/m3，岩石重度取 27.5 kN/m3，φ 取 30°。上覆岩土层平均重度 =（18.6×24+27.5×111）/135=29.52 kN/m3，p0=150 kN/m2。 巷 道 底 板 标 高 均 为620 m，巷道高度均为3 m，其中巷道宽度均为5 m。

代入式（1）和式（2）进行计算，可得 Hcr=30.9 m，巷道顶板位于路线设计标高下100～153 m，稳定系数Fs=3.2～4.9，根据表2稳定性等级评价标准，巷道对高速公路的稳定性无影响。

2.1.3 小窑采空区

该采空区上方公路设施类型为大桥，上覆岩土层平均重度 γ=（18.6×5+27.5×15）/20=25.28 kN/m3，p0=150 kN/m2，路线下巷道拐角处宽度为3 m，代入式（1）和式（2）进行计算，可得Hcr=20.2 m，地面与巷道顶间距平均H=20 m，稳定系数Fs=0.98，根据表2稳定性等级评价标准，此巷道不稳定，对桩基础的桥梁有较大影响。

2.2 房柱式开采稳定性评价

西河煤业和演礼煤业均为房柱式开采，采用采深采厚比的参数对场地稳定性进行评价。

表3 不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准

西河煤矿采空区位于设计标高下46～180 m，采厚4.3 m，设计标高下采深采厚比11～42，上部为中硬覆岩，因此不稳定。演礼煤矿采空区位于地表下埋深 81～161 m，采空区位于设计标高下 46～102 m，采厚4.3 m，设计标高下采深采厚比11～24，上部为中硬覆岩，因此为不稳定。

3 结论与建议

本文在充分掌握采空区路段地质条件、开采方式、采深、采厚、回采率等参数的基础上，对阳城至蟒河高速公路巷道式开采和房柱式开采两种类型的采空区分别进行了稳定性评价。巷道式开采非充分采动条件下采空区的稳定性采用极限平衡法进行评价，房柱式开采非充分采动条件下采空区的稳定性采用采深采厚比进行评价。

西河煤业和中寨大桥下方巷道式采空区处于稳定状态，小煤窑巷道式采空区处于不稳定状态，会对上方拟建的桩基础桥梁产生影响。西河煤业和演礼煤业房柱式采空区均处于不稳定状态。