黄玉川煤矿沉陷区公路快速修复与治理

2022-07-20王崇平

煤炭科学技术 2022年5期

王崇平，高超，刘贵

(1.国能亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

0 引言

井下煤层工作面开采后，岩层移动变形逐层传播至地表后表现为地表沉陷[1]。受沉陷影响的地表建(构)筑物将产生一定量值的移动变形，当移动变形超过建(构)筑物允许变形[2]时，将对地表建(构)筑物产生损坏影响、失去其原有的使用或应用价值。

公路是煤矿区最为常见的地表建(构)筑物之一，公路的建设提高了矿区及周边地市的出行速度与出行质量。但是部分公路压覆矿区煤炭资源，受采煤沉陷影响的公路路面会产生不同程度的下沉、倾斜、曲率、水平变形、裂缝、开裂、台阶错动、塌陷坑等[2]。轻微的路面移动变形会降低路面行车的舒适度、车内人员有轻微颠簸感；较为严重的地表裂缝、台阶错动及较大的曲率与倾斜度变化还会发生跳车，甚至影响行车安全、造成交通事故等。

关于沉陷区地表建筑物损害程度、变形测量与路面治理等方面，许多学者已经对其进行了研究。谭志祥等[3]结合改进步长的果蝇优化算法实现InSAR地表全盆地沉陷监测与沉陷预计参数求取。何荣等[4]基于三维激光扫描技术提出地表倾斜提取方法，为矿区环境治理与建筑物修复提供技术支撑。张凯等[5]提出适用于复杂地形或区域性条件下的地表移动变形“空天地”一体化监测技术。邓伟男等[6]针对京张高速公路的路面损坏特征，并提出了限速、警示牌等应急处理措施。杨锋等[7]提出通过在路基中加铺土工格栅的方式进行简易抗变形设计即可保证高速公路安全运行的新思路。李海深等[8]提出限厚开采、留设三角煤柱、全面观测等措施进行公路下的压煤开采。王锐等[9]分析了隧道上部采空区影响特征，提出并非安全距离条件下的采空区注浆处理措施。

汽车及公路已经成为矿区及周边地市上班族的出行手段之一，同时货物运输也是矿区及周边地市的经济动脉与基础保障。受采煤沉陷影响的公路，如果没有科学的沉陷理论指导[10]，或造成修复路段过长、而增加建设费用，或修复路段过短、不能解决损坏问题；另一方面如果对损坏路面不及时维修，将影响矿区及周边地市的出行与运输需求，如果损坏后直接进行沥青路面标准化重建，后续其他工作面或后续其他煤层开采将再次对路面产生损坏，造成不必要的资金浪费。为此需要结合开采沉陷理论提出适用于煤矿采煤沉陷影响的、快速路面修复技术与工艺，指导公路下安全采煤，并保证矿区及周边地市的人员出行与运输需求。

对于已经受采煤沉陷影响或其他原因(地基原因、路面荷载、自然老化等因素)损坏的路面修复，通常采用：封路标准化路面重建、局部封路标准化修复、快凝材料快速修复、预制板机械吊装快速修复等方法进行道路的重建或修复。①封路标准化路面重建[11-12]：封路标准化路面重建法可一次性解决路面损坏的一系列问题；但该工艺需要道路封闭时间较长、影响交通出行，同时该方法需要一次性投入较大的资金量，且对于后期矿区其他工作面或下部煤层回采的适用性差。②局部封路标准化修复[13]：该方法是分步骤地对损坏路面进行重建或修复；或只是针对于局部损坏较重的路面进行补丁式修复。该方法可一定程度上解决路面损坏问题，但不适用于煤矿采煤沉陷引起的路面破坏。③快凝材料快速修复[14-16]：该方法通过该类添加剂或化学材料的添加，减小混凝土的凝固时间，缩短道路的封闭与施工占道时间；但该方法同样不适用于后期存在煤矿采煤沉陷影响的路面。④预制板机械吊装快速修复[17-18]：通过机械吊装各预制板、拼接道路，后续再次拆除循环利用。该方法可应用于煤矿沉陷影响路面，能解决后续工作面引起的二次路面破坏问题；但该方法适应长度较短的待修复公路，对于长度较大的公路，需要一次性投入大面积场地提前预制并养护混凝土板，且需要伴随工作面推进不间断投入大型机械设备。

“移动角+围护带”留设保护煤柱法[10]是公路保护煤柱内不进行开采从而达到公路保护的目的。

封路标准化路面重建、局部封路标准化修复、快凝材料快速修复仅能解决非采煤沉陷区路面的重建与修复，对于井下后续其他工作面开采影响及二次扰动对公路的破坏后重建或修复的指导意义不大。预制混凝土板机械吊装方法虽然可应用于煤矿沉陷影响路面，能解决后续工作面引起的二次路面破坏问题；但该方法适应长度较短的待修复公路，对于长度较大的公路，需要一次性投入大量场地提前预制并养护混凝土板，且需要伴随工作面推进不间断投入大型机械设备。市政及公园绿化用方砖或混凝土砖直接引用到采煤沉陷区公路铺设，通常不能有效解决沉陷区路面的破坏强度高、需要治理的路段盲目性差、地表移动变形及路面变形集中、分散沉陷变形等问题。目前需要针对于采煤沉陷区影响变形大、范围广、多次扰动等特点制定该条件下的公路快速分级及修复技术。

1 矿井概况

1.1 井田位置与地貌

黄玉川煤矿位于准格尔煤田中西部。行政区划隶属于准格尔旗长滩乡和薛家湾镇管辖。井田对应地表黄土广泛覆盖，厚度大，部分为风积沙覆盖，植被致密。

地表沟谷纵横交错，沟谷呈树枝状，十分发育。井田内地形基本呈东部高西部低形态，海拔最高为+1 292.2 m，最低为+1 030 m。

1.2 二盘区及工作面概况

矿井分为3个盘区，其中薛魏线(省道)、西青线(县道)公路约5 200 m斜穿二盘区，根据地质采矿资料可知，二盘区4号煤12404、12405、12406与12407工作面，6上煤226上04、226上05、226上06、226上07与226上08工作面均面临公路下采煤问题(井上、井下对照如图1所示)，井下煤层开采将导致公路地面的移动与变形。

图1 工作面与地表公路Fig.1 Working face and surface road

二盘区4煤各工作面煤厚3.2～3.5 m，采深140～220 m；6上煤各工作面煤层厚度9.6～13.0 m，6上煤位于4煤以下80～90 m。

1.3 公路概况

西青线西起纳榆线东至薛魏线，长度约4 km；黄玉川煤矿二盘区对应地表范围内的西青线路面宽度8.50～11.5 m(部分路段布置有排水沟)，设计双向两车道，为县道，西青线路面照片如图2所示。

图2 二盘区对应地表西青线路面Fig.2 Second plate area corresponds to Xiqing road

2 采动影响计算与分区

2.1 保护煤柱留设

当涉及公路下采煤时，最常规的方法是“移动角+围护带”留设保护煤柱法[1-2]。依据二盘区西青线周边的钻孔柱状图，按照表土层移动角φ=45°，岩层移动角68°留设保护煤柱；考虑到公路的用途、通车量、社会功能及其重要性，保护等级确定为Ⅱ级建筑物，围护带宽度定为15 m。

2.2 地表沉陷计算参数选取与计算

结合二盘区的地质采矿条件及未来规划开采情况，参考邻近矿区及文献[19]中有关规定确定地表移动变形计算参数如下：下沉系数q=0.60或0.63(仅采4煤q=0.6，两层煤均采q=0.63)、水平移动系数b=0.30、主要影响角正切值tanβ=1.90、开采影响传播角θ=90°-0.6α(α为煤层倾角)、拐点偏移距S=0。

基于二盘区4煤和6上煤未来规划开采平面图及开采顺序等，依据概率积分法及地表沉陷计算软件进行西青线的地表移动变形计算。

2.3 公路抗采动分析

根据国内外相关实测数据[20]可知，建(构)筑物虽然与地表表土层或基岩层直接接触，但地表的移动变形与建(构)筑物的移动变形有一定的差异。首先对需要治理路面的不同区域、不同深度取心，并进行物理力学试验，其次结合当地路面移动变形阈值，基于实测数据与试验数据并参考国内外研究结果[21]，分析路面的抗采动能力，并建立县道路面移动变形与地表移动变形的关系；对于县道公路的移动变形与沉陷区地表移动变形可表述如下：①路面与沉陷区地表下沉之间的关系：公路路基虽然经过一定工序的处理，但是在自重作用下，路面或路基的下沉值Wr与地表下沉值Wr很接近、近乎相等；其相关关系式如下：Wr=(0.95～0.98)Ws。②路面与沉陷区地表倾斜之间的关系：对于一般工序完成的混凝土路面或沥青路面，路面或路基倾斜Tr与地表倾斜Ts差异较小。其相关关系式如下：Tr=0.833Ts+0.28。③路面与沉陷区地表水平变形之间的关系：基于本次实测资料，并结合我国部分矿区路面或路基水平变形εr与地表水平变形εs关系实测资料，其相关关系式如下：εr=0.94εs-0.12。

2.4 采动影响分级与分区

根据煤矿开采地表移动变形特征及规律，基于二盘区地质采矿资料及地表移动变形计算结果，参考文献[19]建筑物损坏等级划分，结合地表移动变形与路面移动变形关系方程、路面的抗采动能力，将二盘区对应地表西青线进行分区，分区情况及其判定准则(变形指标与表象指标2类指标，其中一类指标达到即视为达到该分区标准)如下：

1)路面轻微变形及一般裂缝区：路面下沉值大于10 mm且小于300 mm，路面水平变形小于4 mm/m，地表倾斜变形小于6 mm/m；对应路面损坏特征为：只出现轻微裂缝、不出现非连续型裂缝破坏。

2)路面剧烈变形及非连续型裂缝区：路面下沉值不小于300 mm，路面水平变形不小于4 mm/m，路面倾斜变形不小于6 mm/m；对应路面损坏特征为：出现张开型或剪切型裂缝，路面台阶裂缝高差大于10 mm。

该分类指标仅适用于常规铺路工序的省道与县道的常规路面，不适用于国道与高速公路等高级别公路，同时也不适用于省道与县道的高挖方路段、高填方路段及桥隧路段。

3 路面快速修复

3.1 轻微变形裂缝区域路面灌封处理

1)路面灌封工艺。沥青路面中最常见的一种路面损坏问题是路面裂缝问题，受地表沉陷影响较轻的沥青路面常用的养护措施主要是灌缝。灌缝养护方法是在沥青路面发生裂缝损坏的部位灌入密封材料，平整受损路面、减缓路面裂缝边缘材料的破碎速度，达到增长道路路面使用时间的目的。

其步骤主要分为2步，首先进行清缝处理，然后进行灌缝。若路面裂缝的宽度大于5 mm，应进行相应的开槽作业。进行灌缝作业时要注意避免人工灌缝；进行灌缝作业时使用压力式灌缝机，可取得最好的灌缝效果，使密封材料集中于路面裂缝深层，达到路面养护的最终目的。根据应用统计，路面经过灌缝养护后，正常情况下其使用时间平均为4 a，最短为2 a，最长可达8 a。

2)需要灌封处理的路段。各个工作面开采后，根据地表移动变形结果及路面抗采动情况，统计地表移动变形轻微及一般裂缝发育区域，并进行清缝、灌封处理。

3)灌封材料选择。①裂缝宽度小于5 mm时，加热沥青、机械灌封，初凝时间约0.5 h；灌封后约1～2 h，即可恢复交通。②裂缝宽度大于5 mm时，适量膨胀剂、一定水灰比的水泥浆液；避免大风或雨天施工，以防止龟裂等；灌封后4～6 h，即可恢复交通。

4)灌封处理滞后工作面时间。地表下沉速度小于1.67 mm/d时，即可采用灌封方法处理路面轻微移动变形及一般裂缝区域。对于二盘区各工作面的灌封处理滞后时间为：4煤工作面推过待处理路段3个月后再进行灌封处理，6上煤工作面推过待处理路段4个月后再进行灌封处理，或地表移动活跃期结束半个月后处理。

3.2 剧烈移动变形区域六角形砖快速重建

一般路面砌块用等厚度板，尺寸、面积均较大(5.0 m×2.0 m或2.5 m×2.0 m，厚度24 cm，需要吊装)。本项目中的工艺与方法结合井下工作面开采情况、地表移动变形情况、路面破坏情况及路面快速重建材料、尺寸、缓冲层材料、缓冲层厚度、砖体间缝隙、砖体间填充材料、路缘约束等角度进行分析、研究,重建规定与施工应用。具体工艺可详述如下：

1)地表剧烈移动变形及非连续型裂缝发育区域统计：各工作面开采过程中及开采结束后，根据地表移动变形结果及路面抗采动情况，统计地表移动变形剧烈影响及非连续型地表裂缝发育区域。

2)路基与路面清理与平整：将地表沉陷严重影响区域的原有混凝土或水泥道路进行表面清除、路基及路面整平。

3)六角混凝土砖快速重建路面：六角形混凝土砖起到承载和传递荷载的作用，抗压、抗剪强度高，相同面积、相同受力条件情况下，六角砖体比四角砖体许用竖向荷载高；同时六角混凝土砖的拼接对于地表非连续型变形适用性强。砖体可用厚度60～80 mm的六角混凝土砖、预制混凝土标号≥C40级、路面砖宜采用粗糙适宜的防滑表面,倒角尺寸宜为2 mm×2 mm,通体颜色地砖(彩色面层强度较低、且容易剥蚀)。

4)砖体下部中砂缓冲层的铺设：由于该路面设计区域为煤矿采煤沉陷区，未来周边工作面开采将引起地面的二次采动影响，同时本采煤工作面开采后地表仍有一定的残余变形，在铺设六角砖之前需要在路面铺设厚度3～6 cm的中砂层，该厚度的中砂层一方面可为地表移动变形预留一定的沉降量，另一方面通过该中砂缓冲层可减弱地表移动变形对六角砖路面的沉陷影响破坏程度，再一方面柔性路基比刚性路基更容易延长砖体的使用寿命(因为这种结构能使作用在路面砖表面上的力通过传递和分解，大部分都作用在路基层面，并且路面砖之间的柔性连接能有效地抵抗因基础非均匀沉降或变形所导致的局部裂缝的产生。即使有微小的沉降或变形，也不会产生断裂性裂缝以致影响行人和车辆的通行)。中砂缓冲垫层厚度为4～6 cm(一般厚度为50 mm)、粒径要求为中粗砂、控制含泥量。

5)六角砖之间缝隙：填缝材料是保持路面砖之间“柔性机械”连接、并分散传递应力的重要组成部分；相邻两砖体之间缝隙应为2～4 mm，并且六角砖之间缝隙用细砂填充、填实，砖间细砂一方面可保证各砖体之间未来的残余移动变形引起的挤压破坏；另一方面可疏导大气降水，避免路面雨水、雪水的汇聚与积水。填缝砂的粒径要求为细砂～中砂、含泥量不宜太高(含泥量过高容易引起垫层材料的板结，减弱六角砖路面的整体抗剪强度)。

6)路缘石边界约束：由于在荷载作用下，预制块面层有扩散荷载效应，必然会产生水平力。对于砌块拼接路面而言，边缘约束是限制预制块在行车荷载作用下的侧向位移，以保证预制块处于相互嵌锁、相互挤压的状态。对于西青线沉陷区路面可采用长×宽×高=100 cm×15 cm×30 cm的黄岗岩路缘石、其中出露路面高度5～10 cm，也可制作模具应用C40以上商品混凝土进行浇筑与自制。

7)安全形成警示：铺设好的六角砖路面，应在路的起始端点设置警示牌以提示该路段为采煤沉陷区，同时警示最高行车速度应小于50 km/h。

8)施工周期与速度：大面积铺筑可使用铺地机铺筑；针对西青线而言，人工铺设40～50 m/(人·d)，若6～8个工人，将待铺筑路段按照首尾进行分组，每个开采工作面剧烈扰动区可于2 d完成铺设。

将混凝土的养生置于后场的预制阶段，在施工现场进行板块拼装，并对接缝进行适当的处理，以保证路面平整度和接缝的载荷传递，这样可实现快速修复与公路的快速通车。预制拼装修复技术是所有快速修复技术中用时最短、占用道路面积最小、对交通影响最小的一项实用技术，是真正意义上的无阻碍交通快速修复，代表着路面快速养护的发展方向。

3.3 地表稳定后的沥青路面重铺

依据本矿井或周边矿井的地表移动观测站实测地表移动周期参数，结合待治理公路下方工作面的地质采矿资料，科学计算地表的持续时间与稳定时间[22]；待地表进入移动变形衰退期或地表移动变形稳定后进行沥青路面的标准化重铺。

无实测资料时，地表移动的持续时间(T)可根据经验公式[19](工作面平均采深H0的函数)进行计算。

T=2.5H0

(1)

结合二盘区4煤与6上煤层的地质采矿条件，参照地表移动持续时间经验公式，当6上煤工作面回采结束2 a后，地表移动变形基本达到稳定。待地表进入移动变形衰退期或地表移动变形稳定后进行沥青路面的标准化重铺。

3.4 分区快速修复工艺的优缺点分析

采煤沉陷区公路分级及分区快速修复治理工艺具有以下优缺点：①延长大中修周期，待井下工作面开采结束且地表达到稳定后，进行重建。②适应于煤矿采煤沉陷区的较大移动变形。③有利于保护环境。路面铺设采用工厂化生产的预制块，现场铺设，减少施工现场扬尘，有利于保护周边环境，提高施工速度。④相对于水泥混凝土路面和沥青混凝土路面，砌块体路面所用的施工设备最少，对施工人员要求较低；施工完成后可立即开放交通。⑤其施工不受季节、温度影响。⑥抗滑性好、耐磨耗。⑦对地基变形能力适应力强。采用小块铺设，块与块之间采用细砂填充；砌块下部为中砂缓冲垫层，因此具有刚性块体、柔性连接、独特的抗变形功能，尤其适用于路基状况较差、变形较大的柔性地基。⑧混凝土预制块的表面接缝多，对高速行车(车速大于50 km/h)行车难以提供满意的服务水平，故它更适合于那些车速不高的区域。⑨沉陷区二次变形后，可再次分层铺设中砂缓冲层，将六角形混凝土砖再次砌筑；后期工作面回采结束后可二次回收(根据实践经验砌块的回收率约85%)，应用于其他区域。⑩造价较低，根据河北省、云南省、东北地区及其他区域公路局统计资料可知，砌块路面造价约为沥青水泥路面的35%，可大幅减小对公路的投入。

3.5 沉陷区二次变形对路面影响与处理方法

根据西青线压覆二盘区工作面的采掘规划，12404工作面开采后，西青线延伸方向最大倾斜为15.6 mm/m，公路横截面方向(或垂直延伸方向)地表最大倾斜为0.7 mm/m；结合地表沉陷计算结果，需要对西青线长度约1 165 m 的路段进行路基的逐层夯实、垫高与平整，保证路面的运行坡度、曲率等符合相关规程，应用六角形砖快速重建工艺对路面快速修复治理，并应用水泥拼接板对水沟进行采后治理与修复。

后续12405与226上04工作面开采后，西青线延伸方向地表最大倾斜为9.3 mm/m(坡度角增量为0.53°)，公路横截面方向最大倾斜为16.1 mm/m(坡度角增量为0.92°)。需要对新增西青线长度约1 145 m的路段、第一次修复完成但受二次扰动的长度约1 000 m的西青线进行快速修复处理。

对于新增西青线受损路段应用上述工艺进行快速修复治理。对于第一次修复完成、受后续工作面开采二次扰动路段，首先将第一次铺设的六角形砖进行回收，并对路基进行二次夯实、平整与抬高后，再将六角形混凝土砖再次铺设，并完成二次扰动路面的快速修复与治理。