采煤沉陷区公路损坏快速修复方法与流程

1.本发明涉及公路维护技术领域，尤其涉及一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法。


背景技术：

2.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。受沉陷影响的地表建(构)筑物将产生一定量值的移动变形。当移动变形值超过建(构)筑物允许变形值时，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。
3.公路是煤矿区最为常见的地表建(构)筑物之一。部分公路压覆矿区煤炭资源，受采煤沉陷影响的公路路面产生不同程度的下沉、倾斜、曲率、水平变形、裂缝、开裂、台阶错动和塌陷坑等。轻微的路面移动变形会导致车内人员有颠簸感，降低路面行车的舒适度；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。
4.目前，对于已经受采煤沉陷影响或其它原因，如地基原因、路面荷载、自然老化等因素损坏的路面修复，往往采用封路标准化路面重建、局部封路标准化修复和快凝材料快速修复等方法进行道路的重建或修复。但是这些方法成本高，修复的时间长，而且在公路出现损坏现象后才修复，修复不及时。仅适用于非采煤沉陷区路面的重建与修复。对于井下后续其它工作面或后续其它煤层开采将再次对路面产生损坏，造成不必要的资金浪费。


技术实现要素：

5.本发明提供一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，用以解决现有技术中公路修复方法成本高，时间长，且不及时的缺陷，实现对煤矿采煤沉陷区公路损坏进行及时、快速修复，而且成本低。
6.本发明提供一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，包括：
7.根据公路下方采区或工作面的地质采矿条件，确定地表沉陷计算参数的值，根据所述地表沉陷计算参数的值通过地表沉陷计算软件计算所述公路下方的地表移动变形量；
8.基于实测数据或经验数据对所述公路进行抗采动影响分析，建立所述公路的路面移动变形量与所述地表移动变形量之间的关系方程，根据所述关系方程和所述地表移动变形量，计算所述路面移动变形量；
9.根据计算的所述路面移动变形量将所述公路划分成多个类别的区域，并实时监测所述公路的实际路面移动变形量；所述类别包括第一类别和第二类别；
10.在计算的所述路面移动变形量和所述实际路面移动变形量之间的差值小于预设误差的情况下，对所述第一类别的区域进行灌封处理，对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建。
11.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述地表移动变形量包括地表下沉值、地表水平变形量和地表倾斜变形量；
12.所述路面移动变形量包括路面下沉值、路面水平变形量和路面倾斜变形量。
13.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述根据所述关系方程和所述地表移动变形量，计算所述路面移动变形量，包括：
14.将所述地表下沉值输入预先确定的所述地表下沉值与所述路面下沉值之间的关系方程中，获取所述路面下沉值；
15.将所述地表水平变形量输入预先确定的所述地表水平变形量与所述路面水平变形量之间的关系方程中，获取所述路面水平变形量；
16.将所述地表倾斜变形量输入预先确定的所述地表倾斜变形量与所述路面倾斜变形量之间的关系方程中，获取所述路面倾斜变形量。
17.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述根据计算的所述路面移动变形量将所述公路划分成多个类别的区域，包括：
18.在所述路面下沉值满足第一预设条件、所述路面水平变形量满足第二预设条件，且所述路面倾斜变形量满足第三预设条件的情况下，确定所述路面移动变形量对应的公路的区域为所述第一类别的区域；
19.在各监测点对应的在所述路面下沉值满足第四预设条件、所述路面水平变形量不满足所述第二预设条件，且所述路面倾斜变形量不满足所述第三预设条件的情况下，确定所述路面移动变形量对应的公路的区域为所述第二类别的区域；
20.其中，所述第一预设条件为所述路面下沉值大于第一阈值且小于第二阈值；
21.所述第二预设条件为所述路面水平变形量小于第三阈值；
22.所述第三预设条件为所述路面倾斜变形量小于第四阈值；
23.所述第四预设条件为所述路面下沉值大于或等于所述第二阈值。
24.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建，包括：
25.对所述第二类别的区域进行预处理，所述预处理包括表面清除，以及路基和路面的整平；
26.在预处理后的所述第二类别的区域的路面铺设砂层；其中，所述砂层的粒径大于第一阈值且小于第二阈值；
27.在所述砂层的上面铺设所述六角混凝土砖块，并在相邻的六角混凝土砖块之间的缝隙中填充沙子；其中，所述缝隙中填充的沙子的直径小于第三阈值，所述第三阈值小于所述第一阈值；
28.对所述第二类别的区域使用路缘石进行边界约束。
29.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建之后，还包括：
30.根据采煤沉陷区的地表下沉速度，确定所述采煤沉陷区的地表移动阶段；
31.在所述地表移动阶段为移动衰退阶段的情况下，对所述第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺。
32.根据本发明提供的一种采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建之后，还包括：
33.根据采煤沉陷区下矿井的工作面平均采深，计算所述采煤沉陷区的地表移动持续
时间；
34.在所述地表移动持续时间过后，对所述第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺。
35.本发明提供的采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，通过先根据地表沉陷计算参数计算地表移动变形量，根据地表移动变形量通过地表沉陷计算软件计算公路的路面移动变形量，根据路面移动变形量将公路划分为不同损坏程度类别的区域，对不同损坏程度的区域有针对性地采用不同的修复方法进行修复；对损坏程度较大的区域采用六角混凝土砖块进行重建，对环境污染小，施工简单，速度快，施工完成后可立即开放交通，成本低，可重复利用，降低二次采动影响造成的损失，可适用于煤矿采煤沉陷区的较大移动变形，而且能对公路的路面移动变形量进行及时预测，提高了修复的及时性。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明提供的采煤沉陷区公路损坏快速修复方法的流程示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.下面结合图1描述本发明的采煤沉陷区公路损坏快速修复方法，包括：步骤101，根据公路下方采区或工作面的地质采矿条件，确定地表沉陷计算参数的值，根据所述地表沉陷计算参数的值通过地表沉陷计算软件计算所述公路下方的地表移动变形量；
40.可选地，根据公路下方工作面的地质采矿资料，如岩性结构、煤层埋藏深度、采出煤层厚度和顶板管理方法等，以及公路下方矿井或周边矿井的地表移动观测站的实测数据，确定地表沉陷计算参数的值，如地表下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切值、拐点偏移距和开采影响传播角。
41.根据地表沉陷计算参数的值对煤矿采动后的地表移动变形量进行计算，如对地表的下沉、水平移动、倾斜、水平变形和曲率变形等的等值线进行绘制。
42.步骤102，基于实测数据或经验数据对所述公路进行抗采动影响分析，建立所述公路的路面移动变形量与所述地表移动变形量之间的关系方程，根据所述关系方程和所述地表移动变形量，计算所述路面移动变形量；
43.根据相关实测数据可知，建(构)筑物虽然与地表表土层或基岩层直接接触，但地表的移动变形数值与建(构)筑物的移动变形数值有一定的差异。
44.可选地，对公路的路面不同区域进行不同深度的取芯，并进行物理力学实验，对公路的路面抗采动影响进行分析，得到路面移动变形量与地表移动变形量之间的关系方程。
根据各监测点的地表移动变形量和关系方程，得出路面移动变形量。
45.步骤103，根据计算的所述路面移动变形量将所述公路划分成多个类别的区域，并实时监测所述公路的实际路面移动变形量；所述类别包括第一类别和第二类别；
46.根据路面移动变形量的大小，获知路面的损坏程度。根据路面的损坏程度将公路划分成多个区域。
47.可选地，根据煤矿开采地表移动变形特征及规律，结合煤矿地质资料及煤层开采资料，参考《“三下”采煤规范》建筑物损坏等级，将地表公路进行损坏程度分区。不同类别的区域代表不同损坏程度的区域。
48.步骤104，在计算的所述路面移动变形量和所述实际路面移动变形量之间的差值小于预设误差的情况下，对所述第一类别的区域进行灌封处理，对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行快速重建。
49.可选地，在矿井下各工作面开采后，根据地表移动变形量及路面的抗采动能力得到的路面移动变形量，统计出地表移动变形轻微及一般裂缝发育区域，即第一类别区域。
50.由于第一类别的区域损坏程度较低，对其进行简单的局部灌封处理。
51.对第二类别的区域选用六角形混凝土砖进行重建。由于第二类别的区域损坏程度较高，为了减小后续工作面开采引起的地面二次采动影响而造成的损失，采用六角混凝土砖块进行重建，重建速度快，成本低。
52.沉陷区二次变形后，可再次分层铺设中砂缓冲层，将六角形混凝土块再次砌筑。后期工作面回采结束后可二次回收，应用于其它区域。
53.此外，公路的路面移动变形具有滞后性，即在根据当前的地表移动变形量计算出的路面移动变形量较大的情况下，路面当前可能并没有明显的损坏，而是随着时间的推移逐渐出现损坏现象。因此，需要实时监测实际路面移动变形量和记录损坏特征。在实际路面出现损坏的情况下，及时采取损坏修复措施。
54.具体的监测方法包括使用“无人机航测、重点路段布设监测点和人工巡视”的综合监测方案，对待修复公路进行定量观测与定性巡视。在发现公路损坏严重的情况进行告警。其中，人工巡视可识别较大、较剧烈性的路面破坏，具有机动性强、主动性好等优点。根据工作面与地表线路的相对位置关系及采动影响程度，巡视频率可1天/次至7天/次不等。重点路段布设监测点并采用常规gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)观测一方面可用精度较高的监测数据支撑公路下采煤地表移动变形具体量值；一方面可为后期工作面开采优化设计提供科学依据；另一方面也可提供佐证数据，提高无人机航测结果的精度。根据工作面与地表线路的相对位置关系及采动影响程度，监测频次可7天/次至28天/次不等。
55.无人机搭载航测模块监测技术可大范围内对地表移动变形进行监测。对测区进行无人机航空摄影、正射影像拍摄和倾斜摄影拍摄，经内业数据处理后获取待治理路面的宽度、各点高程、周边地形和地势等，为后续修复奠定基础。监测周期可14天/次至42天/次不等。
56.本实施例通过在地表沉陷计算与抗采动影响分析的基础上，划分不同损坏区域，对不同损坏程度的区域有针对性地采用不同的修复方法进行修复；对受后续采动影响且损坏程度较大的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行快速重建，对环境污染小，施工
简单，速度快，施工完成后可立即开放交通，成本低，可重复利用，降低多次采动影响能力强，可适用于煤矿采煤沉陷区的较大移动变形，而且能对公路的路面移动变形量进行实时计算，提高了修复的及时性。
57.在上述实施例的基础上，本实施例中所述地表移动变形量包括地表下沉值、地表水平变形量和地表倾斜变形量；所述路面移动变形量包括路面下沉值、路面水平变形量和路面倾斜变形量。
58.在上述实施例的基础上，本实施例中所述根据所述关系方程和所述地表移动变形量，计算所述路面移动变形量，包括：将所述地表下沉值输入预先确定的所述地表下沉值与所述路面下沉值之间的关系方程中，获取所述路面下沉值；
59.公路的路基虽然经过一定工序的处理，但是在自重作用下，路面和路基的下沉值w
路
与地表下沉值w
地
很接近，近乎相等。两者之间的函数关系式如下：
60.w
路
＝a1
×
w
地
；
61.可选地，a1的取值范围为0.95至0.98。a1的值取决路面的抗采动能力。
62.将所述地表水平变形量输入预先确定的所述地表水平变形量与所述路面水平变形量之间的关系方程中，获取所述路面水平变形量；
63.根据矿区中路面和路基水平变形ε
路
与地表水平变形ε
地
的历史实测资料，得到两者之间的函数关系式如下：
64.ε
路
＝a2
×
ε
地
‑
b1；
65.可选地，a2取值为0.94，b1取值为0.12。a2和b1的值取决路面的抗采动能力。
66.将所述地表倾斜变形量输入预先确定的所述地表倾斜变形量与所述路面倾斜变形量之间的关系方程中，获取所述路面倾斜变形量。
67.对于一般工序完成的混凝土路面或沥青路面，路面和路基的倾斜变形量t
路
与地表倾斜变形量t
地
之间的差异较小。两者之间的函数关系式如下：
68.t
路
＝a3
×
t
地
+b2；
69.可选地，a3取值为0.833，b2取值为0.28。a3和b2的值取决路面的抗采动能力。
70.本实施例通过预先获取各监测点的地表移动变形量与公路的路面移动变形量之间的函数关系，函数关系中的参数体现路面的抗采动能力，根据函数关系和地表移动变形量，准确确定路面移动变形量，从而实现对公路区域的准确划分。
71.在上述实施例的基础上，本实施例中所述根据计算的所述路面移动变形量将所述公路划分成多个类别的区域，包括：
72.在所述路面下沉值满足第一预设条件、所述路面水平变形量满足第二预设条件，且所述路面倾斜变形量满足第三预设条件的情况下，确定所述路面移动变形量对应的公路的区域为所述第一类别的区域；
73.在路面下沉值满足第一预设条件、路面水平变形量满足第二预设条件，且路面倾斜变形量满足第三预设条件的情况下，说明路面轻微变形或出现一般裂缝，没有出现非连续型裂缝破坏。将根据这些路面所圈定的区域作为第一类别的区域。
74.在所述路面下沉值满足第四预设条件、所述路面水平变形量不满足所述第二预设条件，且所述路面倾斜变形量不满足所述第三预设条件的情况下，确定所述路面移动变形量对应的公路的区域为所述第二类别的区域；
75.在路面下沉值满足第四预设条件、路面水平变形量不满足第二预设条件，且路面倾斜变形量不满足第三预设条件的情况下，说明路面地表出现张开型或剪切型裂缝，路面台阶裂缝高差较大，一般大于10mm。
76.其中，所述第一预设条件为所述路面下沉值大于第一阈值且小于第二阈值；所述第二预设条件为所述路面水平变形量小于第三阈值；所述第三预设条件为所述路面倾斜变形量小于第四阈值；所述第四预设条件为所述路面下沉值大于或等于所述第二阈值。
77.可选地，第一阈值为10mm，第二阈值为300mm，第三阈值为4mm/m，第四阈值为6mm/m。
78.在上述实施例的基础上，本实施例中所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建，包括：对所述第二类别的区域进行预处理，所述预处理包括表面清除，以及路基和路面的整平；
79.由于第二类别的区域损坏程度较高，为了提升公路的修复效果，在进行重建前将区域中原有混凝土或水泥道路进行表面清除，以及路基和路面的整平。
80.在预处理后的所述第二类别的区域的路面铺设砂层；其中，所述砂层的粒径大于第一阈值且小于第二阈值；
81.由于第二类别的区域为煤矿采煤沉陷区，后续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，在铺设六角混凝土砖块之前在路面铺设厚度约3至6cm的砂层。
82.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；一方面通过该中砂缓冲层为六角砖提供均匀的支撑，可减弱地表移动变形对六角砖路面的沉陷影响破坏程度。另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正常交通通行。中砂缓冲垫层厚度的粒径要求为中粗砂，控制含泥量。
83.在所述砂层的上面铺设所述六角混凝土砖块，并在相邻的六角混凝土砖块之间的缝隙中填充沙子；其中，所述缝隙中填充的沙子的直径小于第三阈值，所述第三阈值小于所述第一阈值；
84.六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。砖体可用厚度约60至80mm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2mm
×
2mm，美观且方便后期砖体间细砂填充。选用通体颜色地砖，因为彩色面层强度较低、且容易剥蚀。
85.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至4mm，并且六角砖之间的缝隙用细砂填充、填实。填充完成后，需要二次铺洒细砂并用扫帚或板刷二次扫沙、填缝。砖体间的细砂一方面可保证各砖体间后续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。填缝砂的粒径位于细砂和中砂之间，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。
86.对所述第二类别的区域使用路缘石进行边界约束。
87.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，边缘约束的作用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。例如，采用尺寸为长
×
宽
×
高＝100cm
×
15cm
×
30cm的黄岗岩路缘石，其中出露路面高度约5至10cm，也可使用模具应用c40以上混凝土进行浇筑，自制路缘石。
88.铺设好的六角砖路面，应在路段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50km/h。
89.本实施例在对功率修复后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联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。
90.在上述实施例的基础上，本实施例中所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建之后，还包括：根据煤矿采煤沉陷区的地表下沉速度，确定所述煤矿采煤沉陷区的地表移动阶段；在所述地表移动阶段为移动衰退阶段的情况下，对所述第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺；
91.其中，地表下沉速度根据本矿井或周边矿井的地表移动观测站实测得到。地表下沉速度的大小反映地表移动的剧烈程度。
92.一般根据下沉速度及其对建筑物的影响程度，将地表的整个移动过程分为以下三个阶段：下沉量达到10mm的时刻为移动开始时刻，从移动开始至下沉速度刚达到1.67mm/d或50mm/月时刻止的阶段为移动开始阶段，即初始期。下沉速度大于1.67mm/d或50mm/月的阶段，也称危险变形阶段，即活跃期。下沉速度刚小于1.67mm/d时至连续六个月内下沉累计不超过30mm时止的阶段为移动衰退阶段，即衰退期。
93.待地表进入移动衰退阶段对第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺。
94.在上述实施例的基础上，本实施例中所述对第二类别的区域采用六角混凝土砖块及其附属工艺进行重建之后，还包括：在所述煤矿采煤沉陷区下矿井的工作面平均采深，计算所述煤矿采煤沉陷区的地表移动持续时间；在所述地表移动持续时间过后，对所述第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺。
95.可选地，在无实测资料的情况下，地表移动持续时间根据以下公式进行计算获取。
96.t＝a4
×
h0；
97.其中，地表移动持续时间的单位为d，h0为工作面平均采深，根据煤层的采掘规划情况确定，a4根据地质赋存条件确定。
98.地表移动持续时间过后地表移动变形稳定。在地表移动变形稳定后对第二类别的区域进行沥青路面的标准化重铺
99.本实施例通过延长大中修周期，待井下工作面开采结束且地表达到稳定后再进行标准化重建，减少工作面开采引起的地面二次采动影响而造成的损失。
100.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。