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

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

（2）再根据式4-10，评价地基的稳定性

=30m

即采空区埋深H

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