采空区路基变形基本特征及其影响因素分析

要海亮

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

采空区是人为开采矿产资源或者天然地壳运动形成的“空洞”[1]。地下采空区空间具有分布特征规律性差，隐伏性较强，顶板部位的强度情况预测困难等特征[2]。公路工程建设中，当道路穿过采空区时，路基下伏采空区对路基稳定性能就会造成一定的影响。公路采空区的处理方法主要是通过注浆法进行加固[3]。对路基下伏采空区进行稳定性分析评价及沉降预测十分重要[4]。因此，有必要对采空区路基变形的特征和影响因素进行深入分析探讨。笔者以山西某公路下伏采空区为例，从采空区覆盖岩层破坏情况、路基变形特征等方面分析变形基本特征。然后通过ANSYS软件模拟分析开采宽度、开采深度、煤层倾角以及煤柱预留等4个方面对地表沉降的影响，进而分析路基的稳定性能。

1 采空区路基特性

1.1 采空区覆盖岩层特性

完整的地壳结构通常处于实体饱满状态，在地下煤层开采过程中，由于内部部分空间失去支撑作用使得周围的岩体原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力集中或者应力重新分布[1]。此时，当地下煤层被开采结束后，采空区上部覆盖岩层的应力超过岩体自身强度就会使其形态产生各种变形和移动等。如图1所示，采空区上部覆盖岩层主要分为3个部分，最上面部分是弯曲带，在垂直方向上，岩层的初始应力作用引起的变形，这种变形规律而且连续；深入岩层内部就是裂隙带，裂隙带的产生是由采空区应力空缺间接导致，在岩层压力作用下产生裂隙，裂隙的类型大多为竖向，而且连续性较差；与采空区直接接触的部位是冒落带，严格意义上讲，冒落带的破碎落石会将采空区孔洞部位填充，但是这种填充存在许多空隙，形成新的堆积岩层，从力学角度看，由于上部弯曲带和裂隙带岩层对冒落带有压实作用，冒落带的竖向力学性能优于横向力学性能。

图1 采空区覆盖岩层破坏特性

处于采空区弯曲带范围内的路基稳定性和变形特性直接受到开采的影响。在开采初期，冒落带尚未立即形成，煤层开挖后留下的采空区仍然处于应力缺失状态，上方路基填筑材料的自重又给采空区顶板增加了附加应力作用，使得变形沉降加剧，当冒落带形成之后，碎落岩体逐渐填充采空区空间，由于岩体之间存在的间隙较大，在围压作用下进一步变形，进而引起上部裂隙产生，覆盖岩体发生弯曲变形，引起地表沉陷。

1.2 采空区顶板力学性能

采空区顶板的力学性能是影响路基变形形式和变形量的直接因素，根据山西省某公路下伏采空区的实际情况，为详细分析各岩层的力学性能以及地质条件，通过钻孔提取采空区顶板承载芯样，测试力学性能的物探方法对采空区顶板进行探测。图2为钻探深度小于30 m的芯样。

图2 采空区顶板小于30 m岩石钻探取样

除去上覆土层后，如图2a中，岩层在10 m内时，岩石颜色较浅，岩石主要为局部粗砂岩、粉砂质泥岩，深度接近30 m时，主要为炭质泥岩，颜色较深。随着深度的增加，岩石类型逐渐发生变化，如图3所示，深度大于30 m后，各深度岩石钻探取样，在35 m左右位置，如图3a中，已经出现厚度较薄的煤层，接着岩层逐渐发生变化，在钻探深度达到50 m左右时，如图3b中，出现以炭质泥岩和粉砂质泥岩为主的岩层状态。这就说明采空区顶板岩层结构比较复杂，在实际工程中需要根据实际情况进行处理。

图3 采空区30～57.8 m岩石钻探取样

采空区上部覆盖岩层与路基直接接触，其物理力学性能是影响路基稳定和变形特性的直接因素，覆盖岩层的变形牵连作用引起路基发生不同程度的变形。根据钻探试样，分别对距离表层5 m、20 m、57.8 m以及煤层的密度、内摩擦角、弹性模量、泊松比以及抗压、抗拉、抗剪强度进行检测。测试结果如表1所示。

表1 采空区岩层力学性能测试结果

根据试验测试结果，随着钻探深度的变化，由于上部岩石地质状况复杂，其物理力学特性都存在一定差异，距离表层5 m处的力学性能最好，距表层20 m位置的强度不及深度更大的57.8 m，这是因为在20 m位置，岩石大多属于炭质泥岩，与下部较薄的煤层接近。相比之下，煤层的密度最小，力学性能最差，这也是煤层易于开采的原因之一。即便如此，由于受到3个方向约束力的作用，内部煤层的存在对上部岩体结构变形的抑制作用是相当大的。未采空区域和未开采区域的力学性能和沉陷变形特性差异十分明显。

1.3 路基变形特征

a）公路路基处于不同的位置时，其受到采空区变形影响效果不同。如图4a所示，当路基整体处于采空区中间区域范围内时，路基发生的整体沉降量最为明显，从路基自身看，中部沉降量略微大于边缘沉降量，然而不均匀沉降却相对较小，路基的左右两侧在弯曲作用下会产生压应力，进而引起路基或者路面隆起变形。

b）在图4b所示的情况中，当路基处于采空区边缘时，由于地表发生的沉降量不同，靠近采空区一侧的路基发生的变形比较大，远离采空区的一侧产生的沉降量则相对较小，路基在此情况下各个部位的沉降差异较大，路基不均匀沉降导致内部应力状态发生变化，此时，路基有向采空区一侧发生倾斜的趋势，也有向采空区一侧发生整体滑移的迹象。

图4 采空区路基沉降的影响

c）一般情况下，采空区上的覆盖岩层厚度越小，路基产生的沉降量就会越大，岩层厚度越大，沉降量就越小，进而引起的路基变形量也较小。此外，弯曲带的力学性能和抗弯拉变形特性越差，那么其引发的变形量就会越大，路基产生的沉降量就越大，路基处于不同位置下地表变形量的不同影响其稳定性能和变形性能。

d）对于处于采空区中心的路基而言，在弯曲变形过程中，如图4a中，路基两侧会产生指向路基内部的挤压应力，当路基两侧的挤压应力过大时，会引起路基和路面向上凸出隆起或者起伏不平。处于采空区边缘的路基需要承受水平拉应力作用，如图4b所示，处于采空区边缘的路基在不均匀沉降作用的影响下，靠近采空区一侧会产生背离路基内部的拉应力，当拉应力超过了路基填筑材料的极限抗拉承载力的情况下，路基会产生裂缝。

2 路基变形影响因素

采空区路基变形的影响因素主要包括开采宽度、煤层深度、预留煤柱以及煤层倾角[5]。根据实际情况，采用ANSYS软件模拟各个因素变化对路基沉降变形的影响效果进行分析。

2.1 开采宽度的影响

分析模型设置228个单元，259个节点，在100 m×200 m范围内开采厚度为5 m，宽度分别为25 m、50 m、75 m三种工况下的地表变形量进行分析，不同开采宽度对地表沉降量的影响如图5所示。以地表变形评价路基变形特征。

图5 开采宽度对地表沉降的影响

从图5中分析结果可知，采空区的开采宽度越大，对地表沉降变形越明显，当公路路基整体位于沉降区域范围内时，整体沉降越明显。由于采空区路基变形受到煤层开采方式和开采面积的影响，一般情况下，充分采动作用造成周围岩体的破坏比非充分采动更为严重，开采的面积越大，对路基变形和稳定性的影响越大，开采深度相同的情况下，采宽越大，其影响范围越广，采宽为75 m时，地表最大沉降量达到了2.25×10-2mm。此外，开采方法的不同也会造成不同影响，通常，悬臂式采煤法在岩体内部主要引起斜向破坏，全部垮落法则会引起路基整体沉降。

2.2 煤层深度的影响

研究煤层埋深对路表稳定性能的影响时，建立100 m×200 m分析模型，网格划分中设置192个单元，223个节点，开采深度分别选取20 m、40 m、60 m进行分析。煤层埋置深度对路标变形的影响作用变化曲线如图6所示。

图6 煤层埋深对地表沉降的影响

煤层开采深度和厚度是引起采空区覆盖岩层发生破坏的根本原因之一，开采厚度越大，影响越严重，开采深度越浅，影响越明显，当深度大于150 m时，影响甚微[4]。从图6所示的分析结果看，开采深度越小，对地表产生的沉降影响越大，采深为20 m时，最大地表沉降达到6.8×10-3mm，但是其带来的横向影响范围相对较小，沉降量超过5×10-3mm的仅有40 m，而对于开采深度为40 m和60 m的情况，虽然最大沉降量不及开采深度为20 m的，但是其横向影响范围相对较大，几乎已经超过了120 m。

2.3 预留煤柱的影响

预留煤柱的数量和大小都会对地表沉降变形造成影响。分析模型尺寸宽度为200 m，高度为100 m，开采宽度均设置为50 m，模型网格划分成571个单元，节点数为621对地表沉降进行分析。在此情况下对未预留煤柱、预留1根煤柱以及预留2根煤柱3种情况下在200 m横向范围内分析地表沉降如图7所示。

图7 预留煤柱对地表沉降的影响

根据图7所示的分析结果，预留煤柱的数量直接影响地表的竖向变形量。预留2根煤柱时，地表沉降量最小，其最大沉降为不留煤柱的1/2，未预留煤柱的最大沉降量达到1.45×10-2mm。随着预留煤柱数量的增加，地表产生的竖向位移逐渐减少，但是，是否预留煤柱以及预留煤柱的数量多少对采空区上部覆盖岩层产生的横向变形范围没有十分明显的影响。然而，地表变形的集中程度较高同样不利于地面和路基的稳定。

2.4 煤层倾角的影响

根据实际情况，建立x正方向200 m，y正方向100 m的模型，并将模型划分为222个单元体，共计253个节点，将开采厚度设置为5 m，然后在开采宽度为50 m时对煤层的倾度分别为0°、30°、60°的情况分析煤层倾角对地表沉降量大小和范围的影响，分析结果如图8所示。

图8 煤层倾角对地表沉降的影响

图8曲线显示，煤层倾斜角度越大，采空后对地表的影响越明显，竖向位移量越大，倾角为0°时，采空区中心位移最大，横向影响范围超过100 m，倾角为30°时，沉降较0°小，影响范围缩小，顺延煤层方向，沉降不均匀变化。倾角为60°时，沉降最小，在开采范围内，沿倾角方向，沉降量逐渐减少。说明随着煤层倾角的增大，地表沉降量减小，对采空区上部岩层和路基稳定性更为有利。

3 结语

通过对采空区路基变形基本特征以及山西某公路下伏采空区的上部覆盖岩层破坏特性、路基变形特征以及影响路基沉降变形的因素分析得出：

a）采空区引起岩体应力重分布导致上部覆盖岩层冒落带碎落、裂隙带开裂以及弯曲带弯曲最终导致路基变形。

b）路基处于采空区中心时会整体沉降，两侧产生压应力导致路面隆起，路基处于采空区边缘时不均匀沉降，产生拉应力引起路基开裂或滑移。

c）采空区路基沉降量影响因素主要有开采宽度、煤层深度、预留煤柱以及煤层倾角4个因素。

d）开采宽度越宽、深度越浅、预留煤柱越小、煤层倾角越小对路基沉降越不利。