高速公路下伏采空区稳定性分析及治理措施

高速公路下伏采空区稳定性分析及治理措施
摘要：采空区塌陷是矿区普遍存在的地质灾害，而如果在采空区上修筑高速公路，采空区的稳定情况对线路的安全就变得更加重要。

本文运用结构力学方法对采空区进行了稳定性评价，介绍了采空区治理措施，并结合国内外下伏采空区问题的研究现状，提出进一步研究方向。

关键词：采空区，公路，稳定性评价，治理措施
中图分类号： x734文献标识码：a 文章编号：
1 引言
地下矿体资源采出后，采场上方岩土层乃至地表将会出现较大范围的采空区。

由于采空区已经削弱或破坏了上覆岩土层的稳定性，若在其上修筑公路或铁路，覆岩破坏部分还要发生再变形、再破坏过程，这就面临采空区塌陷导致的路基失稳与破坏问题。

因此，在了解覆岩破坏规律基础上，通过勘察采空区特征及分布情况，研究采空区稳定性的评价理论并制定合理的治理措施，是实际工作中必须解决的问题。

2 采空区特征
2.1 采空区基本概念
所谓采空区是指地下矿体采出后所留下的空间区域。

当矿体（如煤、金属矿石等）从地下被开采出来后，上覆岩体失去支撑而导致平衡破坏，应力重分布，以期达到新的平衡。

在此过程中，采空区上部岩体变形和移动会向上波及到地表，并形成地表移动盆地。

[1]
2.2 采空区采动覆岩的“三带”划分
（1）垂直分带，自下而上分别称为：冒落带、裂隙带、弯曲带。

（2）水平分带，从左往右分为1区、2区、3区，如图1。

3 采空区勘察
由于年代久远、不规范的老采空区的存在以及矿区地质的复杂性，使我们琢磨不透研究区内采空区的特征及分布情况，这就使采空区的勘察工作变得非常重要。

采空区勘察主要包括三个步骤：调查、物探、钻探。

调查是通过现场的调查访问，初步了解开采区域煤层厚度范围和煤层倾角范围，查明研究区域的停采时间，开采方式和顶板管理方式。

物探主要是是根据对探测目标体的分析和现场探测环境限制，参考相应规范要求，采用高密度的电阻率映像法和高分辨率地震声纳法进行综合探测。

通过物探可以初步得到探测区采空区深度和分布情况，判断采空区的填充状态，推断采空区的高度。

钻探则是根据物探成果，在可能的采空区范围内布设钻孔，来复核物探结果。

[2]
4新建公路下伏采空区的稳定性评价
4.1 采空区顶板稳定性评价
该方法为《岩土工程手册》中采用的方法。

[3]认为采空区开采前，岩体内部应力是平衡的，一般情况下，只存在垂直压应力和水平压应力，用式4-1和4-2表示：
(4-1) （4-2）
式中：
——上覆岩层的重度（kn/m3）；
h——矿层顶板埋藏深度（m）；
——矿层的内摩擦角（）。

如图2所示
（4-3）
（4-4）
（4-5）
(4-6)
式中：q——单位长度顶板所受压力(kn/m)；
g——单位长度项板岩层所受的总重力(kn/m)；
f——单位长度侧壁的摩阻力(kn／m)；
p——楔体abm和cdn作用在ab和cd面上的主压力最大值（kn/m）；
2a——采空区宽度（m）。

图2 采空区顶板稳定性示意图
由式4-3到式4-6可得：
（4-7）
由式4-7可知：对于某特定的岩层，a、为常量，当h大到某一深度时，，即q=0，顶板上方岩层恰好能保持自然平衡而不塌陷，h 称为临界深度h0：
（4-8）
比较采空区顶板埋藏深度h与h0 ，即可评价顶板的稳定性。

当：
时，顶板不稳定；
时，顶板稳定性差；
时，顶板稳定。

4.2 采空区地基稳定性评价
当新建公路位于采空区的影响范围以内时，可按下式近似验算地基的稳定性。

设新建公路的单位压力为r，则作用在采空区顶板上的压力为：
（4-9）
式中符号含义同式4-1至4-8。

当h大到某一深度，使q等于零，则：
(4-10)
当：时，顶板不稳定；
时，顶板稳定性差；
时，顶板稳定。

5 工程实例
某高速公路的路段，空洞最大尺寸1.8m2m，埋深约9m。

空洞上方将修筑高速公路，假定路基路面高6m，车辆荷载14.64kpa（汽-超20级），路堤作用于地基的单位压力为130kpa，若取岩石容重γ=22kn/m3，岩土的内摩擦角=25o。

（1）先根据式4-8，评价顶板的稳定性
=11m
即采空区埋深h<h0 ,所以采空区顶板不稳定。

（2）再根据式4-10，评价地基的稳定性
=30m
即采空区埋深h<h0 ,所以采空区顶板不稳定。

应采取相应的治理措施，加固土层以安全施工。

6采空区处理方法
6.1对埋深小于20m的采空区
（1）开挖回填
对于埋深小于4m的采空区，采用从地表开挖，一直挖至采煤空洞，然后回填夯实。

此方案工艺简单，施工质量容易检查和控制。

（2）钻孔灌浆
对埋深在4～20m的巷道采空区，钻孔灌粉煤灰水泥浆、水泥砂浆或砂浆等填满空洞。

此方案施工简单、质量可靠。

6.2 顶板厚度20m以上采空区
（1）钻孔注浆
从地面打孔至采煤空洞，再灌浆充填，为避免浆液流至路基控制边界以外，需要在路基以外的控制边界处钻孔至采煤空洞，再灌粗骨料充填，注浆固结，以堵住空洞两端。

（2）压力注浆、封堵裂缝
在采煤空洞上方一定范围按一定间距布置深度为10～30m的钻
孔，然后压力灌浆，使浆液渗入岩层裂隙并胶结，从而使破碎岩体形成一强度高、刚度大的完整岩体可有效避免地表塌陷的发生。

6.2.3综合处理方案
除了采用上述方案处理采空区外，还可在路基填土中分层铺设2～3层土工格栅，并在路面的处理上采用连续钢筋混凝土路面，增强路面和路基对不均匀沉降的抵抗力，若路基沉降后还可采用灌浆方法对路基进行补救。

7 展望
高速公路下伏采空区问题涉及到岩土力学、采矿学等众多学科，目前研究的深度还不够，在采空区的勘察、稳定性评价、治理等方面都存在一些问题。

（1）采空区的探测方法虽然很多，但往往只能提供定性的资料，而采空区范围的准确确定直接关系到相关问题的研究，如稳定性评价、治理工程的选取等。

因此优化采空区探测技术，提高探测精度显得很重要。

（2）由于高速公路涉及范围广，服务年限长。

因此，采空区的危害性研究最主要的是预测采空区地表在使用年限内的剩余位移
变形量或突发坍塌的可能性。

（3）目前，公路下伏采空区治理的方法较单一，以注浆充填法为主，盲目性很大，有时造成较大的浪费，也带有一定的风险。

应加强新处理方案的研究，比如改变路基路面结构、使用新型路面材料等都有很高的研究价值。

[4]
参考文献(references)：
[1] 于广明，苏仲杰，杨伦。

地层沉陷非线性原理、监测与控制[k]。

吉林大学出版社，2000,；4–8
[2] 张明晶，贾栋，朱琦。

公铁立交下伏采空区勘察和稳定性分析[j]。

西北大学学报，2011,41（1）；54–57
[3] 岩土工程手册编写委员会。

岩土工程手册[m]。

中国建筑工业出版社，1992；
[4] 董立元，刘松玉。

高速公路采空区问题国内外研究现状及进展[j]。

岩石力学与工程学报，2004,23（7）；1198–1202。