摘要：采空区是高速公路隧道典型不良地质，结合清平隧道采空区的分布特征，分析了采空区对隧道稳定性的影响，对路线的影响程度给出了合理的评价。
关键字：清平隧道；采空区；煤矿；稳定性分析
1概述
重庆市至广安高速公路（重庆段）位于重庆市北、西部，是京昆高速公路复线的一部分，线路全长45km，拟建清平隧道为本线路中的长隧道，全长约2.4km。清平隧道穿越沥鼻峡背斜南东翼，该背斜南东翼地层中三叠系上统须家河组（T3xj）为煤系地层，有煤矿采空区分布，对线路的影响极大。
本次对隧道穿过的煤层、煤矿巷道、采空区、老煤窑等分布情况进行详细调查，收集煤矿已有资料，综合分析、评价各煤矿巷道、采空区的稳定性，及与隧道的关系和影响情况，为渝广高速公路清平隧道线位提供可靠依据。
2采空区开采情况及地质资料调查分析
清平隧道位于沥鼻峡背斜南东翼，隧道穿越地层为单斜构造，岩层产状139～174°∠20～48°，岩层倾向变化较小，倾角变化较大，隧道两端倾角小，洞身中部倾角大。区内构造较简单，未发现断层。
现场调查，影响该段隧道线位的采空区主要为横担煤矿及五处老窑。五处地表浅层老窑因离隧道轴线较远，在此不作过多阐述。
2.1横担煤矿开采及采空情况
横担煤矿主井井口地理坐标：东经106°33′13″、北纬30°04′29″。该矿为主平硐加暗斜井开拓，主平硐长约170余米。在距井口160m揭穿烧炭煤层，该矿开采烧炭煤层共分为5个水平，即+350m水平、+310m水平、+260m水平、+201m、+160m，+350m水平烧炭煤层东巷1207m，西巷604m，均已采空；在+310m水平烧炭煤层东巷1243m，西巷614m，均已采空；+260水平烧炭煤层东巷1073m，西巷619m，均已采空；+201m水平烧炭煤层东巷853m，西巷843m，均已采空；+160m水平烧炭煤层东巷756m，西巷149m，未采。
该矿烧炭煤层在+350m以上至煤层风氧化带间为老窑采空区或老采空区，+201m～+350m为新采空区。渝广高速清平隧道与横担煤矿平面示意见图1。
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图1渝广高速清平隧道平面示意
2.2采空区与隧道的空间关系
据地面地质调查及资料收集情况，清平隧道穿越横担煤矿采空区。
其穿越煤系地层为须家河组，现有矿权为重庆市合川区横担煤业有限责任公司横担煤矿，该矿主采烧炭煤层，开采深度+400～+160m标高。综合矿井储量核实报告及后期矿井开采情况，可判定隧道由外到内穿越的主要煤层有1层。隧道与采空区位置关系见图2。
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图2横担煤矿采空区与清平隧道剖面示意
左线：于K37+566.59m处与隧道相交，最低采空标高+201m，现已将其作为烧炭的运输大巷。路基之下采空斜长约255m，垂高约179m，路基之上采空斜长延至地表约228m，垂高约100m。采空区多为自然垮塌，未充填，对公路隧道影响非常大。
右线：于YK37+599.92m处与隧道相交，最低采空标高+201m，现已将其作为烧炭的运输大巷。路基之下采空斜长约255m，垂高约179m，路基之上采空斜长延至地表约228m，垂高约100m。采空区多为自然垮塌，未充填，对公路隧道影响非常大。
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图3采空区采动变形示意
3采空区变形与岩土体变形特征
3.1采空区变形情况
据调查，区内含煤岩组多为泥岩、页岩组成，岩层厚(顶、底板)1～5m，少数7～20m，老顶、底多为厚层状砂岩，煤层开采净宽一般0.50～2.0m，顶、底板平直较完整，不易冒落，倾角45～75°。煤层采空后多数地段顶板不立即冒落，来压周期规律不明显，一般5～8天，在有坑木或局部充填物支撑的情况下，顶板悬空，出现较大面积的空腔，空腔长宽一般20～50m，少数达100多米，空腔内一般潮湿～干燥。区内采空区内多为自然垮塌，局部矸石充填，充填物多为坑木及砂泥岩碎块。区内顶、底板泥岩厚度较大，岩体裂隙发育，采掘破坏较严重段，岩体多生产剪切滑移和脱层冒落现象，顶板垮塌之后，松散岩块将空腔逐渐填满，见图3。
3.2采空塌陷高度预测
煤层开采后，采空区内煤层顶板变形破坏主要分为三个带，直接垮落带、导水裂缝带、弯曲变形带。
据调查，隧道穿越带可采煤层为横担煤矿主采煤层，只有1层煤，综合与地表的距离，煤层厚度介值取大值，下沉系数与采单一煤层以及地表距离相关。
地表最大下沉：Wmax=Mq.Cosa
式中：M——煤层真厚度（m）；
q——下沉系数(mm/m)；
a——煤层倾角（°）；
计算结果见表1：
表1主采煤层地表最大下沉值计算表
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地表最大倾斜：Tmax=Wmax/R
地表最大曲率：Kmax=±1.52Wmax/R2
地表最大水平移动：Umax=bWmax
地表最大水平变形：Emax=±1.52Wmax/R
式中：
R——地面影响半径（m），为H/tanβ；
tanβ——主要影响正切，取2.0；
H——开采深度（m），取201m；
b——水平移动系数，根据覆岩性质取值，为0.30×（1+0.0086.a）
计算结果见表2：
表2主采煤层地表移动和变形计算结果表
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本次拟建隧道进口段煤层属缓倾斜煤层，煤层倾角约30°。采空区冒落带及导水裂隙带最大高度按下式估算：
Hc=（3～4）M
Ht=(100M/(3.3n+3.8)+5.1
式中：Hc——采空区冒落带最大高度（m）；
Ht——采空区导水裂隙带最大高度（m）；
M——累计采厚（m），取0.78m；
m——煤层厚度（m），取0.54m；
h——采煤工作面小阶段垂高（m），取0.78m；
n——煤分层层数（本次均取1）。
计算结果表3：
表3拟建清平隧道采空煤层冒落带及导水裂隙带最大高度估算表
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以上计算属经验计算的单煤层变形，由于煤系地层含煤层数多，采矿影响范围广，各采空区距离近，变形累积效应明显，围岩完整性破坏规模实际偏大。
3.3采空区岩体稳定性分析
采空区岩体稳定性取决于岩性、构造、采空及充填情况等多种因素：
（1）区内须家河组地层硬质砂岩占总厚度的60%以上，而软质泥岩仅占约40%，煤层的老顶、老底均为厚层状长石石英砂岩为主；
（2）采空区顶板见有产生剪切滑移和脱层冒落现象和破坏现象，顶板垮塌之后，松散岩块将坠入空腔内；
（3）由于区内煤层薄，开采空间小，充填弃渣和少量垮落岩块起着支撑作用，且因三叠系煤层稳定性较差，厚度变化大，不可采段(点)较多，小煤窑采矿技术落后，采富弃贫现象普遍，因此，未采出段对采空区顶板起着一定支撑作用。
综合上述，隧址区煤层采空区地段岩体稳定性较差。
3.4采空区地面变形情况
据本次调查及访问，在隧址区煤矿采空范围内均未发现地表塌陷、陷坑、移运盆地等变形现象。主要原因有两点：一方面是因为区内浅部煤炭资源多被以前老窑采空，采空区经过多年的弯曲、下沉或塌陷，地表变形已经完成，剩余沉降量应较小，现多数煤矿为开采深部煤层，对地表影响较小；另一方面，本区地层以采空区上覆地层以砂岩、泥质砂岩、灰岩等中硬岩层为主，且区内煤层均属薄煤层，采空不大，上部岩体变形高度普遍较小，难以影响到地面。采空区对地表地质环境破坏和影响主要表现为：地表水向下渗漏及浅部地下水向深部直至最低开采水平巷道渗漏及疏干。
3.5采空区对隧道工程建设的影响
煤层开采对地层岩体的完整性和稳定性造成极大破坏，大大降低了岩体工程地质性能，隧道建设，围岩类别降低，洞顶、侧壁松散岩体易垮落，坍塌或隧道洞身扭曲变形，对施工人员和机械安全构成极大危害。隧道路基面之下为采空区，由于填充不充分，受长期振动影响，基础将会向下沉陷、垮落，冬季废巷可能有浓密水气向隧道内冒出的现象，影响隧道正常营运，为此必须衬砌加固处理，尚能满足道路建设要求。
含煤段岩性多为相对隔水层，煤层采空后，岩体遭到破坏，隔水层、含水层相互连通，并形成导水通道，造成隧道涌水量增加，局部甚至可能引起老窑突水，严重影响施工安全，故必须加强设计并采取施工措施加以处治。
4结束语
采空区对隧道工程线位影响巨大。本次采空区调查与评价查明了清平隧道路线影响范围内采空区的分布特征、空间形态、充填情况及垮落带范围等，对路线的影响程度进行了较为合理、准确的评价。
参考文献
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[4]李通林，谭学术，刘传伟.矿山岩石力学[M].重庆：重庆大学出版社, 1991.
论文作者:邓春涛
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：采空区论文; 煤层论文; 隧道论文; 地表论文; 清平论文; 煤矿论文; 顶板论文; 《基层建设》2020年第1期论文;