煤礦開采對馬家石畔溝大橋影響研究

余學(xué)義，楊 云，王昭舜

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

建設(shè)中的210國道榆靖段位于魏墻煤礦一盤區(qū)開采區(qū)，開采影響范圍公路長度1860m，包括馬家石畔溝大型公路橋梁一座。馬家石畔溝大橋于2017年10月27日四幅橋的梁板安裝全部完成，2017年10月29日，發(fā)現(xiàn)大橋周邊山體、玉米地、荒地、便道等均出現(xiàn)不同程度的縱向裂縫；2018年8月17日，大橋邊坡發(fā)生大范圍滑坡，滑坡距大橋西南側(cè)錐坡約15m左右。地下開采已對大橋產(chǎn)生一定程度的影響，同時已經(jīng)開采的區(qū)域地表移動還沒結(jié)束，相鄰工作面開采繼續(xù)進(jìn)行，因此需要分析評價目前橋梁受損程度，預(yù)測地表剩余移動變形對橋梁的影響程度，為橋梁的后期修復(fù)提供依據(jù)。

1 開采工作面與橋梁關(guān)系

魏墻煤礦一盤區(qū)位于礦井西南側(cè)，平均埋藏深度達(dá)300m，煤層傾角小于1°。影響大橋的開采工作面有1301工作面、1303工作面、1305工作面、1307工作面和1309工作面。各開采工作面與橋梁空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 開采工作面與橋梁空間位置關(guān)系

大橋距離1301、1303工作面較遠(yuǎn)，處于開采影響半徑以外，其開采對大橋的影響可忽略，截止2018年10月，1305、1307已回采完畢，現(xiàn)正對1309工作面進(jìn)行回采。工作面各參數(shù)見表1。

表1 工作面各參數(shù)

2 橋梁結(jié)構(gòu)特征及受損情況分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)特征

馬家石畔溝大橋由四幅橋梁組成，中間兩幅行車道橋梁間距10m，單幅橋?qū)?2.25m，兩側(cè)距行車橋3.5m處各布設(shè)9.25m寬的非機(jī)動車及人行道。橋面結(jié)構(gòu)均采用40m箱梁，最高墩高38.5m。

四幅橋分別為左邊幅、左中幅、右中幅和右邊幅，馬家石畔溝大橋橋面距溝底最大距離47m，馬家石畔溝內(nèi)有一條小河，為常流河，河床為侏羅紀(jì)安定組巖層。兩側(cè)為黃土陡坡，坡度約為15°～30°。

2.2 觀測數(shù)據(jù)分析

橋梁地基因地下開采發(fā)生相應(yīng)的移動與變形，進(jìn)而傳遞到橋墩以及橋面，引起橋梁整體或局部的移動與變形[1]。為了進(jìn)一步定量觀測馬家石畔溝大橋的移動變形與破壞特征，在工作面開采過程中，對各幅橋均進(jìn)行了沉降及位移監(jiān)測，其中各測點名稱及在橋面的具體位置如圖2所示。

圖2 橋面監(jiān)測點布置示意圖

2.2.1 橋梁下沉分析

從2017年10月30日開始一直到2018年6月27日，定期對馬家石畔溝大橋進(jìn)行沉降監(jiān)測。并對各測點下沉觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，如圖3所示。

圖3 各測點下沉值曲線圖

從圖3可以看出，橋梁下沉觀測是從2017年10月30日開始的，與設(shè)計標(biāo)高相比，在開始觀測時橋梁已經(jīng)產(chǎn)生約27～32mm的下沉。針對馬家石畔溝大橋，整個下沉過程北側(cè)與南側(cè)下沉情況保持一致，但大橋北側(cè)的沉降時間較南側(cè)稍晚，這與1305工作面由南向北推進(jìn)影響時序一致。

分析整個下沉過程，可以分為三個階段：第一階段為2017年10月30日至2017年12月1日，這一階段沉降主要受1305工作面回采影響，因馬家石畔溝大橋距1305工作面較近，故大橋沉降量較大，達(dá)到33mm左右，占目前觀測下沉總量的77%；第二階段從2017年12月1日至2018年3月10日，這一階段大橋南側(cè)保持穩(wěn)定，各測點未發(fā)生沉降，表明1305工作面采空區(qū)趨于穩(wěn)定；第三階段從2018年3月10日到觀測截止日期，這一階段大橋南側(cè)再次發(fā)生沉降，但是沉降值比較小，分析原因是受1307工作面回采影響，對1305采空區(qū)產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致橋再次發(fā)生沉降。大橋經(jīng)歷了初次沉降—穩(wěn)定—再次沉降這三個過程，但就沉降量來看，目前大橋兩端呈整體位移狀態(tài)，各點沉降差異較小。

2.2.2 橋梁位移分析

從2017年11月11日開始到2018年7月29日，定期對馬家石畔溝大橋進(jìn)行位移監(jiān)測，前后累計監(jiān)測30次，并對各測點水平移動觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 各測點水平位移曲線圖

由圖4可知，第一次觀測時大橋整體位移較小，所有觀測點中最大位移為4mm，發(fā)生在BM8位置。在2017年11月17日到2018年2月10日，總共進(jìn)行了11次觀測，在這段觀測時間里，測點BM2—BM8移動量都較小，且變化也不大，BM1移動量由原來的3mm迅速增加至41mm，且主要是向東移動，表明馬家石畔溝大橋左邊幅北側(cè)向東產(chǎn)生了較大移動。

從2018年2月10日到2018年7月29日，測點BM1移動量降低到11mm，在后期的觀測中，略有增加，最終基本穩(wěn)定在25～30mm左右。BM4和BM8在這段時間的觀測中，移動量最大達(dá)到了63mm和57mm，這兩個測點正好位于左中幅的兩端，這一幅橋的移動量最大。

根據(jù)對觀測點坐標(biāo)偏移情況的分析，馬家石畔溝大橋整體呈向南偏移的趨勢，而橋的北側(cè)呈向東偏移狀態(tài)，橋的南側(cè)呈向西偏移的狀態(tài)，這與采空區(qū)的影響趨勢相一致。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明目前大橋受損程度遠(yuǎn)小于I級損壞程度。

2.3 采空區(qū)地表移動變形規(guī)律

1)根據(jù)榆橫礦區(qū)地表觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合侏羅紀(jì)煤田煤層開采條件綜合分析，確定該地采礦條件預(yù)計參數(shù)如下：水平移動系數(shù)b=0.28；下沉系數(shù)η=0.68；主要影響角正切值tanβ=2.0，β=63°；拐點偏移距d=0.1H(H為平均埋深)。

2)根據(jù)地表受損現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合侏羅紀(jì)煤田煤層開采條件分析，得出在魏墻煤礦地質(zhì)采礦條件下，地表移動劇烈，地表移動速度快，地表移動活躍期在3～6個月，地表移動總時間持續(xù)1.5～2.0a，地表移動變形伴隨地表裂縫、臺階錯落破壞特征，地表殘余沉陷可持續(xù)5a左右。

3 概率積分預(yù)計模擬

通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，馬家石畔溝大橋的移動與變形破壞一直處在一個動態(tài)的外界干擾環(huán)境中，為了便于進(jìn)一步的分析研究，將各工作面開采的起止時間、橋梁建造的起止時間、工作面開采對橋梁的影響時間段以及觀測時間以時間軸的形式整理，如圖5所示。

對于這種公路、橋梁建設(shè)中和建設(shè)后受到不同時期開采沉陷影響的復(fù)雜情況，可以應(yīng)用動態(tài)地表移動變形的方法進(jìn)行預(yù)計評價。

3.1 模擬預(yù)計系統(tǒng)YLH-12簡介

作者應(yīng)用普適模型開發(fā)研制的預(yù)計開采沉陷軟件系統(tǒng)YLH-12[2，3]，該軟件已在太舊高速公路、連云港至徐州等高速公路段、西氣東輸DD245-247段、西部許多礦區(qū)的“三下”開采中應(yīng)用[4-10]，成果顯著，預(yù)計結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，能滿足工程的要求。

3.2 預(yù)計參數(shù)

YLH-12所需的計算參數(shù)通常通過礦區(qū)實測資料求取，根據(jù)榆橫礦區(qū)地表觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合侏羅紀(jì)煤田煤層開采條件綜合分析，確定該預(yù)計參數(shù)見表2。

圖5 工作面開采與橋梁觀測時間順序圖

表2 預(yù)計模型參數(shù)

3.3 預(yù)測結(jié)果分析

按所有開采處于公路、橋梁影響范圍的工作面開采結(jié)束，地表沉陷基本結(jié)束，地表形成穩(wěn)態(tài)下沉盆地(連續(xù)6個月觀測地表點的最大下沉值不大于30mm)預(yù)計地表移動變形情況，然后應(yīng)用疊加原理預(yù)計從現(xiàn)階段至地表移動基本結(jié)束的剩余移動變形，以地表剩余移動變形預(yù)計值評價后期地表移動變形對公路的影響程度。

應(yīng)用預(yù)計開采沉陷軟件系統(tǒng)YLH-12預(yù)計地表移動變形指標(biāo)，同時與Surfer8.0對接，預(yù)計的地表移動變形以全盆地等值線形式對應(yīng)橋梁，分析評價煤礦開采采空區(qū)引起地表移動變形對橋梁影響程度。全盆地剩余地表下沉情況如圖6所示，馬家石畔溝大橋采動影響區(qū)的地表剩余位移變形如圖7所示。

圖6 全盆地剩余地表下沉等值線圖(mm)

圖7 馬家石畔溝大橋地表剩余位移變形等值線圖(mm)

通過各等值線圖分析可以清楚的判定：剩余地表移動變形對橋梁主要影響區(qū)在下沉盆地的半盆地范圍，受水平拉伸變形的影響；橋梁整體因不均勻沉降受傾斜變形的影響。應(yīng)對其進(jìn)行針對性修復(fù)。

根據(jù)計算結(jié)果分析可得出馬家石畔溝大橋各幅剩余地表移動變形預(yù)計值，見表3。

預(yù)計地表剩余最大下沉量為-130mm；地表X方向剩余水平變形值為0.8～0.1mm/m；地表剩余最大傾斜值為1.8～0.1mm/m；X方向剩余最大水平曲率值為-0.018～-0.003×10-3/m。

表3 橋梁各幅地表剩余移動變形值

由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》《煤礦采空區(qū)巖石工程勘察規(guī)范》《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》可知，Z預(yù)計剩余地表變形值均在簡支結(jié)構(gòu)橋梁的允許地表變形范圍內(nèi)。預(yù)計剩余地表移動變形在I級損壞范圍內(nèi)，小于一級公路的允許地表變形值，但橋梁的最大剩余下沉值超過100mm，地表剩余沉陷可能導(dǎo)致大橋連接位置出現(xiàn)開裂，但不影響大橋主體結(jié)構(gòu)功能，剩余地表沉陷對大橋影響程度為中等[11-13]。

4 地基穩(wěn)定性分析

對于建橋與開采地表沉陷有一段時間同步進(jìn)行的橋梁結(jié)構(gòu)而言，地基穩(wěn)定性是影響其安全性以及使用年限的重要因素。針對于地基穩(wěn)定性的評價，通常根據(jù)覆巖“兩帶”高度和地面建筑物荷載影響深度及沉陷區(qū)開采條件分析，當(dāng)“兩帶”高度與建筑物荷載影響深度之和小于所采煤層埋藏深度，確定該開采沉陷區(qū)地基穩(wěn)定；反之則為不穩(wěn)定。

4.1 覆巖“兩帶”高度計算

以1305、1307、1309工作面開采條件為背景，運(yùn)用 FLAC3D5.0建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型如圖8所示。模型全長1300m，高360m，寬300m，共劃分1123200個單元，模擬煤層埋深為320m，采高3.2m。根據(jù)礦方所提供的巖層綜合柱狀圖、巖石力學(xué)分析試驗結(jié)果，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行篩選應(yīng)用。針對各工作面開采覆巖“兩帶”發(fā)育情況進(jìn)行模擬，所對應(yīng)的塑性區(qū)分布規(guī)律如圖9所示。

圖8 三維數(shù)值計算模型圖

圖9 各工作面開采塑性區(qū)分布規(guī)律

從圖9可見，1305工作面開采結(jié)束后“兩帶”高度達(dá)74.8m，1307、1309工作面相繼開采結(jié)束后，“兩帶”高度為84.6m，裂采比為26.5。

4.2 地面建筑物荷載影響深度計算

由“三下”開采指南[14]可知，地面建筑物荷載影響深度主要根據(jù)建筑物荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力與地基自重應(yīng)力之間的相互關(guān)系確定[15]，即K=σz/σc。對于一般性建筑物，當(dāng)K≤10%，便可近似認(rèn)為該深度建筑物荷載所產(chǎn)生的影響為0；若所評價建筑物對地表變形較為敏感，應(yīng)將比值減小，當(dāng)K≤5%，可近似認(rèn)為該深度建筑物荷載所產(chǎn)生的影響為0。

地基中的自重應(yīng)力：

式中，σc為自重應(yīng)力，kPa；n為從天然地面到深度z處的土層數(shù)；ri為第i層土的容重，kN/m3；hi為第i層土的厚度，m。

圓形豎直均布載荷作用下中心點深度z處的附加應(yīng)力：

式中，k0為中心點下方豎直應(yīng)力分布系數(shù)；P為均布載荷，kPa；r為圓形豎直均布載荷的水平半徑，m；z為計算點深度，m。

按照最大橋墩深度107m計算，在距橋墩底部往下20m深位置，由式(1)、式(2)計算出橋墩基礎(chǔ)中附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置自重應(yīng)力的1.0%，即在橋面以下107m范圍，可近似認(rèn)為建筑物荷載所產(chǎn)生的影響為0。

綜上所述，通過FLAC數(shù)值模擬，可知覆巖“兩帶”高度在84.6m范圍。覆巖破壞“兩帶”高度與橋梁橋墩基礎(chǔ)擾動最大深度(距地表107m)間有134m的整體彎曲下沉帶，且其中存在厚度大于10m的粗粒長石砂巖1層，巖層中“兩帶”高度和地面建筑物荷載影響深度之和小于煤層開采深度，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 開采沉陷區(qū)橋梁地基穩(wěn)定性分析示意圖

5 結(jié) 論

1)通過觀測數(shù)據(jù)分析得出：對于建橋與開采地表沉陷有一段時間同步進(jìn)行的橋梁結(jié)構(gòu)而言，大橋經(jīng)歷了初次沉降—穩(wěn)定—再次沉降，確定了開采目前對大橋影響程度較小，受損程度遠(yuǎn)小于I級損壞程度。

2)應(yīng)用概率積分預(yù)計法預(yù)計確定開采引起地表剩余移動變形對馬家石畔溝大橋影響程度在I級范圍內(nèi)。大橋位于下沉盆地的半盆地范圍，主要受水平拉伸變形的影響，應(yīng)對其進(jìn)行針對性修復(fù)。

3)通過“兩帶”高度和地面建筑物載荷計算分析出馬家石畔溝大橋地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。