榆樹(shù)灣煤礦采空區(qū)對(duì)包西鐵路增建二線的影響評(píng)價(jià)

魏州泉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概況

包西鐵路大保當(dāng)至張橋段正線全長(zhǎng)561.644 km,是包柳通道的組成部分,也是連接京蘭通道、陸橋通道的西北地區(qū)路網(wǎng)骨架的重要組成部分,在全國(guó)鐵路網(wǎng)中的地理位置極為重要。2007年11月25日包西鐵路開(kāi)工建設(shè)。

榆樹(shù)灣煤礦位于包西鐵路大保當(dāng)車站至曹家伙場(chǎng)車站之間,勘測(cè)階段及包西鐵路增建二線開(kāi)工前與地方政府接觸時(shí),該煤礦未獲得開(kāi)采許可證,屬于規(guī)劃煤礦。后榆樹(shù)灣煤礦于2008年9月通過(guò)驗(yàn)收,2008年12月30日取得煤礦開(kāi)采證,煤礦于2008年4月提前投入生產(chǎn),到該煤礦開(kāi)采至包西鐵路增建二線下部,導(dǎo)致地表嚴(yán)重變形時(shí),附近的田家灣大橋主體工程已經(jīng)完成90%,前后路基已經(jīng)基本成形,部分地段已經(jīng)完成人工鋪軌,鐵路繞避該煤礦采空區(qū)必須改線,這將導(dǎo)致大量的廢棄工程,浪費(fèi)嚴(yán)重,且該區(qū)屬毛烏素沙漠邊緣地帶,地表覆蓋厚層風(fēng)積沙,如果改線須以深路塹形式長(zhǎng)距離通過(guò)風(fēng)積沙地段,這在技術(shù)上是不可行的,否則將留下嚴(yán)重隱患。通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后決定,包西增建二線仍以原方案通過(guò)榆樹(shù)灣煤礦采空區(qū)。

20102工作面是榆樹(shù)灣煤礦規(guī)劃采煤工作面中最先投入生產(chǎn)的工作面,與既有神延鐵路相鄰,其走向長(zhǎng)度5 810 m,斜向長(zhǎng)度250 m,傾角0°～3°,平均1.5°,埋深約260 m,兩側(cè)為原煤運(yùn)輸帶及巷道。

該工作面采用走向長(zhǎng)壁傾斜分層大采高全部垮落法采煤方法,回采過(guò)程中工作面有涌水現(xiàn)象。其開(kāi)采進(jìn)度平均13 m/d。頂板采用自然塌落的管理方式,為消除隱患,當(dāng)頂板短期內(nèi)不能塌落時(shí)則采用爆破強(qiáng)行放頂,使頂板盡快塌落。

2 地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

榆樹(shù)灣井田所屬區(qū)域位于毛烏素沙地的邊緣,地表廣泛分布風(fēng)積沙,呈現(xiàn)風(fēng)沙荒漠景觀,以固定、半固定沙地為主。地形呈波狀起伏,地形低洼處為面積不等的灘、澗地及沖溝,底部為剝蝕殘留黃土梁峁。

2.2 地層巖性

2.2.1 井田地層

2.2.2 含煤地層

本井田延安組含有對(duì)比意義的煤層共10層。其中主要可采煤層有4層,從上往下依次為2-2、3-1、4-3、5-3上4層煤。最上部的2-2煤層埋深110～300 m,平均埋深230 m,上覆基巖平均厚度120 m,第四系覆蓋層平均厚度110 m。

2.2.3 主要可采煤層頂、底板巖性

2-2頂部巖性由細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成,厚度1.0～2.45 m,灰白色,具水平層理,節(jié)理裂隙發(fā)育；上部巖性為砂巖組成,厚度34.1～78.0 m,灰白色,具交錯(cuò)層理,巖性復(fù)雜,規(guī)律性不明顯。

底板巖性為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖組成,厚度4.1～8.73 m,灰色,具水平層理,夾炭質(zhì)泥巖條帶,含植物化石碎片,鈣質(zhì)膠結(jié)。底部為砂巖、粉砂巖、泥巖組成,平均厚度23 m,灰白色,具交錯(cuò)層理、水平層理。

2.2.4 地質(zhì)構(gòu)造情況

該地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)的二級(jí)構(gòu)造單元——陜甘寧臺(tái)坳。構(gòu)造作用主要表現(xiàn)為自中生代晚期開(kāi)始大面積的緩慢抬升為主。無(wú)大的褶皺和斷裂構(gòu)造,地層平緩,呈微傾向北和北西的單斜地層,傾角北段一般為1°～3°,局部波狀起伏。

2.2.5 水文地質(zhì)情況

本區(qū)地表水主要為田家溝溝水,為季節(jié)性流水,水量不大,主要受大氣降水補(bǔ)給。

地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

第四系孔隙潛水一般發(fā)育于松散砂層及下伏黃土、紅黏土的孔隙及裂隙中,受大氣降水、溝水補(bǔ)給,水量較小,連通性差。

基巖裂隙水含水巖層巖性主要為中細(xì)粒砂巖,局部為粗粒砂巖,在含煤地層含水巖層為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等成互層狀,裂隙發(fā)育微弱,透水性差?；鶐r頂面形態(tài)與現(xiàn)代地形相吻合,海拔高度1 246～1 300 m,西南部較高,東北田家溝一帶較低。含水層巖性為中、細(xì)粒砂巖,局部為粗粒砂巖、垂直向上與粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等交替分布。裂隙微發(fā)育,透水性差,在基巖頂部25 m范圍內(nèi)的直羅組巖石呈風(fēng)化狀態(tài),上部10 m左右?guī)r石風(fēng)化強(qiáng)烈,次生結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育,為地下水儲(chǔ)存創(chuàng)造了良好空間,使之含水性能強(qiáng)于下部正常巖段。

3 采空區(qū)變形分析與評(píng)價(jià)

3.1 地表變形情況

榆樹(shù)灣煤礦主要開(kāi)采2-2煤層,首先開(kāi)采上分層,厚度5.5 m,第四系覆蓋層約110 m,基巖厚約150 m。礦于2008年4月投入生產(chǎn)后地表開(kāi)始變形。地表嚴(yán)重開(kāi)裂,并形成移動(dòng)盆地,盆地的邊緣裂縫較寬,形成明顯的錯(cuò)臺(tái)。

3.2 變形分析與評(píng)價(jià)

3.2.1 地表移動(dòng)參數(shù)的選取

首采的20102工作面具有開(kāi)采深度較深(目前開(kāi)采深度約260 m,其中基巖150 m,第四系覆蓋層110 m),開(kāi)采厚度大(首次開(kāi)采厚度為5.5 m),開(kāi)采速度較快(13 m/d),工作面長(zhǎng)(規(guī)劃工作面長(zhǎng)度為5 810 m),寬度大(工作面開(kāi)采寬度約250 m)等特點(diǎn),屬機(jī)械化大面積開(kāi)采,并存在近水平巖層與地表移動(dòng)問(wèn)題。由于屬于首次開(kāi)采,還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)移動(dòng)變形觀測(cè),更沒(méi)有現(xiàn)成的可供全面參照的地表移動(dòng)參數(shù)。

本煤礦采空區(qū)變形預(yù)測(cè)是在充分考慮20102工作面的開(kāi)采條件、開(kāi)采方法以及采空區(qū)頂板管理方式的基礎(chǔ)上,認(rèn)真分析各個(gè)影響因素,結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),確定20102工作面采空區(qū)變形參數(shù)(表1)。

表1 地面變形參數(shù)選取

3.2.2 變形預(yù)測(cè)

根據(jù)以上參數(shù)的選取,對(duì)最大下沉值進(jìn)行預(yù)測(cè)

η=qm=3.85 m

式中η——最大下沉值；

q——下沉系數(shù)；

m——開(kāi)采煤層垂直厚度。

r=H/tanβ=130 m

式中r——開(kāi)采影響半徑；

H——采深；

β——主要影響角。

同時(shí)采用中國(guó)科學(xué)院礦冶研究所煤炭科學(xué)研究院北京研究所使用的變形預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動(dòng)值、最大水平變形值進(jìn)行預(yù)測(cè)：

最大傾斜值i=η/r=29.6 mm(η為最大下沉值)

最大曲率值K=±1.52η/r2=0.346 mm/m

最大水平移動(dòng)值ξ=bη=1 155 mm(b為水平移動(dòng)系數(shù))

最大水平變形值ε=±1.52bi=±13.5 mm/m

對(duì)地表最大下沉速度進(jìn)行預(yù)測(cè)

V=2Cη/H=385 mm/d

式中C——工作面推進(jìn)速度，m/d。

依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》對(duì)該煤礦采空區(qū)頂板塌落后在地表形成的移動(dòng)盆地范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第四系覆蓋層的移動(dòng)角采用45°,基巖采用70°,以此推斷采空區(qū)邊界以外地表移動(dòng)盆地范圍。

r=110×tan45°+150×ctan70°≈165 m

根據(jù)預(yù)測(cè)地表的變形邊界在采空區(qū)邊界以外165～200 m(考慮地形起伏)。

3.2.3 地表觀測(cè)

由于榆樹(shù)灣煤礦20102工作面為首采,為了掌握煤層開(kāi)采后地面變形特征,在20102工作面開(kāi)采不久的2008年4月即建立了地表觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。地表觀測(cè)點(diǎn)的布置主要沿20102工作面走向中心布置,在工作面中觀測(cè)點(diǎn)間距約25 m。

觀測(cè)時(shí)間間隔則根據(jù)20102工作面推進(jìn)速度和觀測(cè)點(diǎn)活動(dòng)情況而定。如果工作面推進(jìn)較快,則觀測(cè)時(shí)間間隔較小,否則觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)走向觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值最大3.406 m,走向觀測(cè)點(diǎn)的最大沉降速率-116 mm/d。

根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù),選擇有代表性的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),繪制了沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線(圖1)。

注：1.觀測(cè)日期與初始觀測(cè)日期的時(shí)間間隔，s；2.觀測(cè)點(diǎn)的沉降;3.Z16、Z17、Z18、Z19、Z20、Z33、Z35、Z40、Z44為觀測(cè)點(diǎn)。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

當(dāng)煤礦開(kāi)采時(shí),上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶?？迓鋷r體呈散體和碎裂形態(tài),巖塊間空隙大、連通性好；斷裂帶巖體呈塊裂層狀結(jié)構(gòu),裂縫連通且發(fā)育；彎曲帶巖體為相對(duì)完整的層狀結(jié)構(gòu)。

地下采空后,如果垮落帶延伸至地表,在采空區(qū)上方及其周圍的地表產(chǎn)生變形,當(dāng)開(kāi)采尚未達(dá)到“充分采動(dòng)”,移動(dòng)盆地?zé)o法形成平底,水平和垂直變形都發(fā)展很快,且不均勻。開(kāi)采達(dá)到“充分采動(dòng)”時(shí),移動(dòng)盆地形成平底,變形趨于穩(wěn)定,但盆地周圍變形仍將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及榆樹(shù)灣煤礦的開(kāi)采方法、工藝及采空區(qū)頂板管理方式判定,榆樹(shù)灣煤礦屬大面積采空區(qū)。目前地表已經(jīng)出現(xiàn)多道裂縫、錯(cuò)臺(tái),根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制了沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線、累計(jì)沉降量與各觀測(cè)點(diǎn)距離和時(shí)間的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線分析,觀測(cè)點(diǎn)的急劇沉降在開(kāi)始變形240 d后趨于平緩。同時(shí)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的沉降速率-時(shí)間曲線進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)有類似的規(guī)律。

分析累計(jì)沉降量與各觀測(cè)點(diǎn)距離和時(shí)間的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)榆樹(shù)灣煤礦大面積采空區(qū)地表從初采面沿走向方向逐步呈現(xiàn)出移動(dòng)盆地形態(tài),目前盆地中間平臺(tái)長(zhǎng)約490 m,平均沉降約為2.8 m,完成預(yù)測(cè)全部沉降的73%,表現(xiàn)為急劇沉降,沉降時(shí)間約240 d。后期盆地中間平臺(tái)的沉降主要表現(xiàn)為破碎基巖及上覆第四系松散層自重應(yīng)力下的自然沉降,是一個(gè)徐變的過(guò)程,速率將比較緩慢,并逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定,這個(gè)過(guò)程將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

4 榆樹(shù)灣煤礦大面積采空區(qū)對(duì)包西鐵路增建二線的影響

4.1 煤礦大面積采空區(qū)對(duì)鐵路的危害

由于鐵路線路位置沒(méi)有從移動(dòng)盆地的主斷面上通過(guò),而是從移動(dòng)盆地的沉降活躍地帶通過(guò),各類工程除了承受垂直移動(dòng)和變形外,還要承受橫向和縱向的移動(dòng)和變形：

(1)移動(dòng)盆地的沉降活躍帶地表不均勻下沉將引起路基的沉降和線路坡度的改變。

(2)地表的橫向水平變形將導(dǎo)致軌道彎曲,并引起軌道平面的傾斜或曲線超高的改變。

(3)地表的縱向水平變形,如地面的壓縮和伸張將使鋼軌和軌枕擠緊和斷開(kāi)。

地表的上述移動(dòng)和變形,對(duì)鐵路后期運(yùn)營(yíng)將造成巨大隱患。

4.2 榆樹(shù)灣大面積采空區(qū)對(duì)包西鐵路增建二線的影響

根據(jù)最新的工作面推進(jìn)位置,包西二線在DK186+100～DK186+220段以25°夾角穿越榆樹(shù)灣大面積采空區(qū)。根據(jù)地表觀測(cè)資料及采空區(qū)分析,線路在DK185+600～DK188+700段穿越移動(dòng)盆地活躍的地區(qū),目前其地面沉降比較活躍,在其變形還沒(méi)有穩(wěn)定前,將對(duì)地表建筑物造成嚴(yán)重影響。

榆樹(shù)灣煤礦在開(kāi)采之初即在地表建立了完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),收集了第一手的地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)資料分析,移動(dòng)盆地中央平臺(tái)的變形在急劇完成后,逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí)盆地周圍的變形也基本趨于穩(wěn)定,移動(dòng)盆地邊緣的距離開(kāi)采中軸的距離與變形預(yù)測(cè)的距離基本相符。

根據(jù)對(duì)榆樹(shù)灣煤礦大面積采空區(qū)的變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),深層的大面積采空區(qū)(人工強(qiáng)行放頂)對(duì)地表的影響程度與采空區(qū)頂板的地層結(jié)構(gòu)及地層巖性有關(guān),一般頂板越厚,開(kāi)采面積越小,影響程度越小,反之影響程度越大。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)初期的地表變形表現(xiàn)為急劇沉降,一般完成預(yù)測(cè)沉降的70%～80%,并形成較為明顯的移動(dòng)盆地,這大約需要幾個(gè)月的時(shí)間,剩余盆地的沉降主要表現(xiàn)為破碎基巖及上覆第四系松散層自重應(yīng)力下的自然沉降,是一個(gè)徐變的過(guò)程,速率將比較緩慢,并逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定,預(yù)計(jì)這個(gè)過(guò)程將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

由于深層的大面積采空區(qū)的處理極為困難,且處理費(fèi)用高,處理時(shí)間長(zhǎng),且處理效果難以保證,因此在變形初期階段,不宜對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理,建議在大面積采空區(qū)急劇變形完成后,對(duì)通過(guò)采空區(qū)的鐵路構(gòu)筑物進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)設(shè)置。由于剛性建筑物對(duì)地表變形敏感性強(qiáng),因此嚴(yán)禁在鐵路通過(guò)大面積采空區(qū)設(shè)置橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的工程,同時(shí)在鐵路運(yùn)營(yíng)后必須對(duì)采空區(qū)及其影響范圍進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),在路基本體中設(shè)置沉降異常報(bào)警裝置,發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理。

目前榆樹(shù)灣煤礦已經(jīng)停止在包西增建二線可能采空區(qū)影響范圍內(nèi)的開(kāi)采,鐵路施工單位已經(jīng)在采空區(qū)可能影響范圍及周邊建立了完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料與理論預(yù)測(cè)變形值的對(duì)比分析,對(duì)急劇沉降已經(jīng)完成的地段,可先期進(jìn)行了路基施工,同時(shí)采取了路基兩側(cè)加設(shè)5 m寬護(hù)道,對(duì)未施工路基地段,路基面加寬2 m,基底以上全斷面鋪設(shè)高強(qiáng)土工格柵的處理措施,同時(shí)在路基本體中設(shè)置了沉降異常報(bào)警裝置,以便發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理。對(duì)急劇沉降尚未完成的地段,則繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),待急劇沉降完成后,再施工路基工程。

5 結(jié)語(yǔ)

包西鐵路增建二線所穿越的榆樹(shù)灣煤礦大面積采空區(qū),為變形仍在發(fā)展的大面積采空區(qū),首采的20102工作面無(wú)論開(kāi)采深度、開(kāi)采厚度、開(kāi)采速度、工作面長(zhǎng)度、開(kāi)采寬度等方面在我國(guó)鐵路建設(shè)中比較罕見(jiàn),因此榆樹(shù)灣煤礦大面積采空區(qū)變形分析研究成果對(duì)鐵路建設(shè)中具有類似地層的大面積采空區(qū)的分析研究具有一定的借鑒意義。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.包西鐵路大保當(dāng)至張橋段地質(zhì)第四篇[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2006．

[2]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

[3]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

[4]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.包西鐵路大保當(dāng)至張橋段采空區(qū)專題報(bào)告[R].西安：2007.