京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验

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1、京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验摘要：通过分析京福高速公路徐州绕城西段采空区的工程地质特征及开采特征，针对采空区在各路段的不同影响，分别进行不同治理方案的工程试验研究，以期为今后类似工程提供经济上合理、技术可行的治理技术。关键词：高速公路；复杂煤矿采空区；治理技术试验京福高速公路徐州绕城西段起点位于徐州东北的京福国道主干线徐州绕城公路东段王可乐附近，经徐州西北梁庄、拾屯，终止于徐州西南连霍线上的罗岗收费站。全长51.087km。线路区是徐州矿务局、江苏天能集团公司的主采区，大煤矿多，采空面积大，既有老采区，

2、也有新采区，且大多系多层重复采动，加上几十年采煤中大量排水，在采空区地表已形成了大面积塌陷区并在部分地段形成积水。由于采空区覆岩厚度大，塌陷后碎胀的岩石压实需要一个较长的过程，加上新采区的继续采动（包括一些小煤矿开采大矿剩余的煤柱），使采空区的沉陷将在一个较长时期内仍会继续进行，对高速公路的危害极大。因此，对西段采空区必须进行治理。1工程概况路线所涉及到的煤矿均处在徐州煤田西部矿区，主要涉及柳新矿、大刘矿及新河矿。采空区为多层开采，主要开采2#、7#、9#煤层，其次开采1#、8#、10#煤层，局部开采3#、20#

3、、21#煤，其中：1#、2#、3#煤层产于下石盒子组；7#、8#、9#、10#煤层产于山西组；20#、21#煤产于太原组。各煤层的顶板岩性分别为：1#煤层顶板为砂岩（局部有1～2m的泥岩伪顶）；2#煤层顶板为砂岩或粉砂岩、泥岩；3#煤层顶板为砂岩、泥岩；7#煤层顶板为中粗砂岩或砂泥岩；8#煤层顶板为泥岩；9#煤层顶板为中粒砂岩；20#、21#煤层顶板皆为灰岩。这些煤矿开采方式大多为走向长壁式，只在局部地段采用条带式，煤层采取率多在80％左右。各煤层平均厚度0.43～2.49m，采空区埋深70～570m。这些煤矿采

4、空区大部分已冒落塌陷，自下而上形成了冒落带、裂隙带和整体弯曲带，导致采空区上部地表发生变形、产生裂隙及地面塌陷，破坏地面建筑物。本路线涉及的采空区与已往高速公路建设中遇到的采空区相比，具有以下特征：1）拟建公路下方的煤层多为急倾斜煤层；2）煤层重复采动，属多层采空区；3）采空区埋深大，采空区埋深在125～620m之间；4）采空区内发育有多条小断层，虽然，这类断层无活动性，但如附近有开采活动、或注浆施工时可能引起局部的塌陷或错动；5）采空区地面沉陷已形成多处水塘，对这些水塘需进行经济、合理的地基处理，使路基不会产生

5、大的沉降，确保公路工程的安全。2各采空区的稳定性分区2.1采空区稳定性的评价标准与原则参照《公路下（上）采空区勘察设计规范》（报批稿），公路工程的采空区地表容许变形值规定：①高速公路路基:倾斜T≤±3mm／m，竖曲率K≤±0.21／m，水平变形ε≤±2mm／m；②公路桥涵，对于简支梁桥，桥位预计采空区地表下沉量与墩台完工后基础计算下沉量(基础最终下沉量与墩台施工期间下沉量之差)之和不得大于容许量，墩台均匀沉降量为20L(mm)，相邻墩台均匀沉降量之差为10L(mm)。其中：L为相邻桥跨中较短跨的跨度(m)，当L＜

6、25m时，按25m计算。对于外静不定桥梁结构，其相邻墩台均匀沉降量之差的容许值应根据沉降对结构产生的附加应力的影响而定。2.2采空区稳定性评价的原则本着宏观分析与稳定性验算相结合的原则，依据《矿山开采沉陷学》基本理论和计算公式，结合煤层倾斜程度、采矿厚度、采矿方式、采取率、采矿时间及钻孔掉钻情况等，通过估算采空区的最大剩余变形量进行评价。采空区的剩余变形参数按下列各式估算最大沉降量：Wmax=ηm；最大剩余沉降量：W=αWmax；最大剩余倾斜量：T=W/r；最大剩余竖曲率：K=±1.52W/r2；最大剩余水平位移

7、：U=bW；最大剩余水平变形：ε=±1.52U/r。式中：η为下沉系数，与矿层倾角、开采方法和顶板管理方式有关，单层开采时全部垮落法一般为0.6～0.8；多层重复开采时最大可达0.95；m为采厚；r为地表主要影响半径，与埋深（H）呈正比，与煤层影响角（β）的正切值成正比，即r=H/tgβ；b为水平移动系数，取值范围0.25～0.35；α为综合剩余沉降系数，根据地面调查、采矿调查、钻探结果等因素综合确定。根据各采空区的稳定性分析计算结果，把不能满足桥和路基对变形需要的采空区划分为不稳定区，而把能满足桥和路基对变形需

8、要的采空区及影响段划分为基本稳定区（见表1）。3采空区治理方法3.1拟定方案由于本地区地质情况复杂，拟定了多种方案并分析其适用条件，主要有桥或板跨采空区方案、支撑法治理方案、注浆治理方案[1~4]、路基抗变形方案及修建后维修的方案。1)桥或板跨采空区方案是将桩基放在采空区下部的稳定地层之上，采用桥式或板的方式通过采空区地区，该方案主要是桩基深度大、施工困难、工程费用高。2