鄭州至焦作城際鐵路云臺山支線在煤礦區(qū)的工程地質(zhì)選線

張勞恩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

大面積深層煤田采空是礦區(qū)普遍存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象,地下礦層大面積采空后,礦層上部失去支撐,平衡條件被破壞,地表從而發(fā)生變形,對當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害。鄭州至焦作城際鐵路是設(shè)計時速200 km的高速鐵路,云臺山支線也采用該標(biāo)準(zhǔn),全長36.5 km，需穿越焦煤集團所屬多處礦區(qū)及采空區(qū),煤礦采空區(qū)是鐵路地質(zhì)選線的工作重點。

1 線位方案

本段根據(jù)沿線礦區(qū)、采空區(qū)分布,結(jié)合景區(qū)景點、線路走向,研究了東線、中線和西線3個方案,見圖1。

1.1 東線方案(修武西接軌繞避采空區(qū)方案)

自修武西站引出向東北,跨大沙河及既有新月線,繞避新河煤礦,向北穿越古漢山井田,繞避張屯煤礦采空區(qū)后折向西北至云臺山景區(qū)。該方案繞避了所有煤礦的采空區(qū),但線路較長。

1.2 中線方案(修武西接軌穿越采空區(qū)方案)

線路自修武西站引出向北,跨大沙河及既有新月線,繞避新河煤礦、九里山煤礦,從古漢山煤礦采空區(qū)和九里山煤礦采空區(qū)間隙穿過,跨南水北調(diào)工程,中穿方莊煤礦采空區(qū)與馮營煤礦采空區(qū)向北至云臺山景區(qū)。

1.3 西線方案(待王站南側(cè)接軌西繞方案)

線路由新月線南側(cè)線路所引出,跨過新月線,大跨跨越南水北調(diào)工程,繞避小馬村煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)后,折向東北,沿方西公路向西,沿山前繞避小煤礦采空區(qū),在云臺山風(fēng)景區(qū)停車場西側(cè)設(shè)云臺山站。

圖1 云臺山支線方案示意

2 煤礦采空區(qū)的工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

線路經(jīng)過區(qū)域隸屬太行山脈與豫北平原的交接地帶,地勢總體北高南低、西高東低,地形變化不大。地貌類型主要有沖積平原、山前傾斜平原、低山丘陵等類型。

2.2 區(qū)域地質(zhì)及地層巖性

(1)區(qū)域地質(zhì)

線路范圍內(nèi)大片地區(qū)被第四系所掩蓋,僅在西北部山區(qū)有基巖出露。自燕山期以來新生成的各種構(gòu)造形跡,以多期活動的高角度正斷層為主,這些斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性。區(qū)內(nèi)對煤田影響較大的主要為方莊正斷層及界碑正斷層,產(chǎn)狀基本一致,走向大體北-南,傾向東,傾角約70°,在井田延伸長度4～10 km。

(2)地層巖性

第四系：黃土、紅土,夾礫石、紅土結(jié)核及礫石,礫石層為豐富含水層,厚50～120 m。

二疊系石盒子組：泥巖、粉砂巖、砂巖,頂部30 m風(fēng)化成土黃色或黃綠色,厚50～350 m。

下二疊系山西組：粉砂巖、砂巖、煤層等,厚約70 m。煤層厚度約5 m，煤層產(chǎn)狀150°～165°/10°。

2.3 煤礦開采情況

焦作煤炭的發(fā)現(xiàn)與開采有很長的歷史。九里山煤礦、古漢山煤礦、馮營煤礦和方莊煤礦均為生產(chǎn)礦,現(xiàn)開采煤層埋深400～600 m,年產(chǎn)量60～120萬t,均采用走向長壁采煤法,液壓支撐,分層開采,采空區(qū)頂板自然垮落,回采率達到80%。經(jīng)過近30年的開采,已形成規(guī)模巨大的采空區(qū)。通過搜集資料,已查明其分布范圍(見圖1)。

2.4 采空區(qū)的地面變形

由于煤礦的大面積開采,在地下形成了較大的采空區(qū),根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,在九里山煤礦附近的村莊,上部地表已出現(xiàn)明顯的下沉、塌陷,形成不規(guī)則的凹形盆地,多頃麥田在雨季形成了池塘,云臺大道路面出現(xiàn)了下沉(見圖2),最大下沉量約為1.2 m。同樣,由于大面積采空,使趙蔣村、韓蔣村的多出房屋發(fā)生開裂(見圖3),使得部分村民被迫搬遷。

圖2 云臺大道路基沉陷

圖3 韓蔣村房屋裂縫

3 采空區(qū)的穩(wěn)定性評價

3.1 采空區(qū)變形破壞邊界計算

對于中線方案,根據(jù)采空變形的相關(guān)理論,煤礦采空區(qū)影響范圍按照圖4所示的邊界進行計算

圖4 采空區(qū)變形破壞邊界計算

L=Hcotδ+hcotφ

式中φ——第四系移動角；

δ——邊界角。

按照《鐵路工程地質(zhì)手冊》[1]中關(guān)于煤礦移動盆地有關(guān)數(shù)值表,土層移動角取45°,巖層邊界角取55°,根據(jù)該處煤層埋深和該段路基平均填方高度取四個角點為邊界控制點(見圖5)進行計算。

圖5 采空區(qū)計算平面示意

單側(cè)煤柱寬度=受護對象半寬+維護帶寬度+第四系厚度+巖層厚度×cot 55°

計算結(jié)果表明,古漢山煤礦和九里山煤礦間的未開采區(qū)域?qū)挾炔蛔阋詽M足鐵路要求的最小安全距離,需要治理的采空區(qū)范圍就是采空區(qū)邊界和兩條直線構(gòu)成的陰影部分,面積為：

九里山煤礦需處理面積A1=128 334 m2

古漢山煤礦需處理面積A2=102 624 m2

面積合計A=A1+A2=230 958 m2

3.2 穩(wěn)定性評價

綜上所述,九里山煤礦和古漢山煤礦間的未開采區(qū)域不能夠提供線路通過的安全廊道,中方案存在較大的安全隱患。

4 線路方案比選情況

線路方案比選情況如表1所示。

表1 方案比選

通過比選,推薦東線方案為貫通方案。

5 結(jié)論和建議

穿越采空區(qū)的中線方案,雖然線路長度最短,線路走向也較為順直,但壓礦長度長,對礦區(qū)影響大。更由于受采空區(qū)影響段落長達3.3 km(隨著古漢山礦和九里山礦的采區(qū)向東南推進,采空區(qū)段落將繼續(xù)增加),治理工程量巨大、治理效果較難保證,鐵路運營后存在巨大的安全風(fēng)險,建議線路繞避。

西線待王接軌方案雖可兼顧待王、青龍峽景區(qū),但拆遷量、工程投資大,對沿線環(huán)境敏感點影響較大,對沿線關(guān)停小煤窯采空區(qū)進行處理,存在一定安全隱患,對軍事禁區(qū)影響較大,工程實施難度大,應(yīng)予以舍棄。

繞避采空區(qū)東線方案,已完全避開現(xiàn)狀煤礦采空區(qū),在與礦權(quán)單位辦妥停采的法律手續(xù)并實施的前提下,可以確保鐵路建設(shè)順利實施及今后運營安全。

[1] 鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999

[2] 林宗元.巖土工程勘察設(shè)計手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1996

[3] TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]