開港鐵路專用線通過采空區(qū)段線路路基穩(wěn)定性評價

崔克松 王傳煥

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津 300152)

1 概況

新建開灤礦區(qū)至京唐港鐵路專用線(簡稱開港線)自范各莊礦內(nèi)鐵路接軌引出,線路自CK0+000～CK1+410在范各莊礦內(nèi),其中CK0+713～CK0+643(CK0+922=CK0+500 ，長鏈422 m)352 m在該礦采煤波及線內(nèi)的安全保留煤柱之上。擬建線路中心距12號煤采空區(qū)邊緣的距離,最近處里程CK0+850,距離為右側(cè)方向58.7 m，最遠(yuǎn)距離處里程為CK0+713,距離為右側(cè)方向136.0 m(圖1)。線路通過位置距采空區(qū)邊緣如此之近,其穩(wěn)定性、安全性是其線路通過方案是否成立的關(guān)鍵。

2 地層及巖性

2.1 第四系地層

范各莊礦區(qū)地表均被第四系沖積層所覆蓋,與下伏地層呈角度不整合接觸。厚54～503.0 m,變化較大,擬建開港鐵路專用線通過采空區(qū)段線路中心第四系地層厚度在88.8～90.0 m。

2.2 煤系地層

范各莊礦位于燕山南麓,煤系地層主要為石炭系、二迭系地層,開采方式為沿傾向長壁開采法。主要煤系地層如下：

二迭系下統(tǒng)唐家莊組：上部止于二迭系上統(tǒng)洼里組(A層頂板),下伏大苗莊組,厚約270 m,巖性以粗砂巖—中砂巖為主,細(xì)砂巖次之。下部粉砂巖和泥巖比較發(fā)育,間夾1～4層煤線。

圖1 開灤礦區(qū)至京唐港鐵路專用線范各莊煤礦采空區(qū)線路方案平面

二迭系下統(tǒng)大苗莊組：上部以5煤層頂板為界,下伏趙各莊組(整合接觸),厚約67 m,本組以深灰、灰黑色粉砂巖和泥巖為主,青灰色中砂巖次之,為主要含煤地層之一,含可采煤層四層,即5煤、7煤、8煤、9煤。6煤分布普遍但不可采。

石炭系上統(tǒng)趙各莊組：上部以11煤層頂板為界,下伏開平組,厚約86 m,為主要含煤地層之一,巖性以粗砂巖、中砂巖和粉砂巖為主,泥巖次之。含二至三層可采煤層,即11煤、12煤、12半煤。

3 采空區(qū)分布狀況

開灤(精煤)股份有限公司范各莊礦是我國自行設(shè)計、施工的一座大型現(xiàn)代化煤礦,始建于1958年,1964年正式投入生產(chǎn),至今有40多年的開采歷史,現(xiàn)今該礦綜合生產(chǎn)能力達(dá)320萬噸規(guī)模,其采空區(qū)也早已形成規(guī)模。

3.1 采空區(qū)狀況

線路經(jīng)過區(qū)域在該礦的0號與S1號地質(zhì)斷面之間,線路經(jīng)過區(qū)域各煤層采空區(qū)情況見表1。

表1 煤層采空區(qū)現(xiàn)狀情況

3.2 開采方式及頂板管理方法

該礦采煤工藝目前為高檔普采和綜合機(jī)械化采煤,方法為“走向長壁采煤法”。頂板管理方法為“全部垮落法控制頂板”。

3.3 大面積采空對鐵路建筑物的影響

地下煤層大面積采空后,煤層上部失去支撐,平衡條件被破壞,采空區(qū)上方巖體隨之將產(chǎn)生變形。地表變形開始時為凹地,隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大,凹地不斷發(fā)展而成凹陷盆地也稱為移動盆地。

由于線路一般不正好位于移動盆地的主斷面上,路基除了受垂直移動和變形外,還要承受縱向、橫向的移動和變形。

如：地表下沉將引起路基的沉降和線路坡度的改變。

地表的橫向水平變形將致使軌道彎曲,并引起軌道平面的傾斜或曲線超高的改變。

地表的上述移動和變形,對橋涵、隧道、站場、房屋和通訊信號設(shè)備等都有相應(yīng)不同程度的影響。

3.4 地表變形現(xiàn)狀

開灤礦區(qū)至京唐港鐵路專用線設(shè)計起點(diǎn),為范各莊礦既有鐵路裝煤站站中心。既有鐵路裝煤站,位置處在范各莊礦各煤層采空區(qū)波及線以外的工業(yè)廣場保護(hù)煤柱上,現(xiàn)運(yùn)營良好。

勘測期間對煤礦周圍的調(diào)查表明,在采空區(qū)上部地表未發(fā)現(xiàn)有明顯的地面陷凹現(xiàn)象。

坐落在距擬建線路中心右側(cè)160～350 m,與范各莊礦區(qū)一墻之隔的“唐山市榮義煉焦制氣有限公司”,整個廠區(qū)建在范各莊礦7煤～12煤采空區(qū)之上,建筑物中除有高大的廠房、設(shè)備,還有高聳的煙囪、水塔等,建筑物現(xiàn)狀良好且廠房、設(shè)備都在正常運(yùn)行當(dāng)中。

3.5 收集采空區(qū)資料情況

線路經(jīng)過地段距線路中心線最近的采空區(qū)是12號煤采空區(qū),采空區(qū)外圍邊緣既為范各莊礦工業(yè)廣場保護(hù)煤柱線,其12號煤采空區(qū)波及線距采空區(qū)邊緣距離為136.0 m。該采空區(qū)為1970～1972年開采,回采率在80%以上,且采用沿傾向長壁式開采法開采,其開采年限近35年。根據(jù)開灤礦務(wù)局范各莊《礦井地質(zhì)報告》,開采年限在30年以上的采空區(qū)其沉降基本穩(wěn)定,其殘余沉降較小。

3.6 工程處理措施

為了避免和消除地下采空的影響,對位于礦山采空區(qū)的線路及其建筑物應(yīng)做不同的工程處理。在已有鐵路建筑物的地下開采,或線路要通過正在開采的礦區(qū)時,常采取留保護(hù)礦(煤)柱保護(hù)措施,防止地表和建筑物變形。

4 計算分析及穩(wěn)定性評價

4.1 設(shè)計鐵路路基保護(hù)煤柱的步驟

(1)確定圍護(hù)帶寬度

為了建筑物的安全,應(yīng)將受護(hù)面積的邊界向外擴(kuò)大一定距離。原來受護(hù)面積的邊界與擴(kuò)大后的邊界間的地帶稱為圍護(hù)帶。鐵路建筑物的圍護(hù)帶一般不應(yīng)小于15.0 m。

(2)確定煤柱下部邊界

一般情況下,煤層面既為煤柱的下部邊界；但當(dāng)煤層面與按γ角作出的保護(hù)面的交線低于安全開采深度時,則應(yīng)以安全深度處水平面與煤層面的交線作為煤柱的下部邊界。

(3)確定保護(hù)煤柱的邊界

保護(hù)煤柱的邊界是由受護(hù)面積邊界移動角所作的保護(hù)面與煤層面的交線決定的。

4.2 鐵路路基下留保護(hù)煤柱的設(shè)計

(1)數(shù)字高程投影法

鐵路路基下留保護(hù)煤柱的設(shè)計可以用數(shù)字高程投影法。已知條件：煤層的埋藏條件,表土的厚度,建筑物的位置、類型,移動角,煤層的等高線及鐵路與煤層走向線的交角。其保護(hù)煤柱的設(shè)計為：

①從鐵路路基向外量出一段距離,使之等于圍護(hù)帶的寬度,由此得到路基兩側(cè)的直線即為鐵路路基受護(hù)面積的邊界。

②由受護(hù)面積的邊界向外量出距離S,得表土層與基巖接觸面上的受護(hù)面積。S=h·cosφ,式中h為表土層厚度,φ為表土移動角。

③繪制鐵路兩側(cè)保護(hù)平面的等高線,其等高距應(yīng)和煤層等高線的相同,為此根據(jù)上山移動角γ及下山移動角β及煤層等高線的等高距,求得相鄰二等高線間的水平距離。根據(jù)此距離,繪出具有傾角的保護(hù)平面的等高線。

④連接上山方面及下山方面的保護(hù)面與煤層層面的同名等高線的交點(diǎn),即得鐵路兩側(cè)保護(hù)煤柱的上山面向邊界與下山方面邊界。

(2)垂直斷面法

鐵路路基下留保護(hù)煤柱的設(shè)計也可以用垂直斷面法。已知條件是：煤層傾角α,煤層埋深H,表土層及煤層厚度等。具體做法是：

①選擇適當(dāng)數(shù)量的垂直于線路的斷面,這些斷面能反映出建筑物的特征。

②在平面圖上依次測量出各斷面處線路方向與煤層走向的交角θ,用此法確定煤田型別,確定其移動角β、γ、φ。

③由于各斷面的線路方向與煤層走向的交角不同,應(yīng)根據(jù)θ=0的斷面的移動角,確定移動角β、γ、φ和各斷面的θ角,求出各斷面的β、γ值。

④在各斷面上分別從路基坡腳向外量出15 m作為圍護(hù)帶。

⑤在各斷面上由圍護(hù)帶內(nèi)緣起在表土層中以φ角劃兩條保護(hù)線；在基巖中上山方向按β角作直線與煤層層面相交得一交點(diǎn),下山方向按γ角作直線與煤層層面相交得一交點(diǎn),此二點(diǎn)分別為保護(hù)柱的上、下山方向的邊界點(diǎn)。

⑥依次連接各相鄰斷面保護(hù)煤柱的邊界點(diǎn),得保護(hù)煤柱的邊界線。

4.3 保護(hù)煤柱計算

(1)煤礦計算要素

依據(jù)范各莊煤礦的開采特點(diǎn)及專用線通過的形式,選用垂直斷面法確定專用線在該礦采煤波及線內(nèi)上山方向的保護(hù)煤柱寬度。 根據(jù)《開灤礦務(wù)局范各莊礦·礦井地質(zhì)報告》(1988～1998)資料記載,范各莊礦對保護(hù)井筒等重要建筑物時,采用下沉50 mm的移動點(diǎn)的平均角度。

上山移動角與走向基巖移動角：γ=δ=72°；

沖積層移動角：φ=35°；

下沉系數(shù)η=0.89～0.93。

(2)鐵路計算要素

鐵路圍護(hù)帶寬度為15.0 m；

單線路基寬度為6.7 m；

線路CK0+700～900路基填方高度1.3 m,邊坡率按1∶1。

(3)地層情況及計算

保護(hù)煤柱一般應(yīng)在線路的橫剖面上,按垂直剖面法設(shè)計。本次選用CK0+850(斷鏈前里程)及CK0+900(斷鏈后)斷面,依次對12煤、11煤、9煤、8煤、7煤進(jìn)行計算,其垂直剖面地層情況： CK0+850(斷鏈前里程)斷面以收集范各莊礦《中央地質(zhì)剖面圖》回風(fēng)井地質(zhì)資料為準(zhǔn)； CK0+900(斷鏈后)斷面以收集范各莊礦《南1地質(zhì)剖面圖》地質(zhì)資料為準(zhǔn)。

第四系地層寬度：PS=cotφ×HS

基巖地層寬度：PJ=cotδ×HJ

保護(hù)煤柱寬寬度:P=15+1.3+6.7/2+PS+PJ

各煤層地層參數(shù)及計算結(jié)果見表2。

表2 煤層地層參數(shù)及計算

4.4 穩(wěn)定性評價

根據(jù)以上計算結(jié)果(表2)與采空區(qū)距線路最近距離(表1)比較可知：7煤、8煤保護(hù)煤柱寬度為 170.03～172.36 m, 采空區(qū)邊緣距擬建鐵路線路中心最近距離216～218 m,7煤、8煤采空區(qū)對線路方案基本無影響,9煤保護(hù)煤柱寬度為 171.07～171.80 m, 9煤采空區(qū)距擬建鐵路線路中心最近距離160 m,采空區(qū)對線路方案影響不大。其11煤(CK0+850斷面)保護(hù)煤柱寬169.83 m,擬建線路中心距11號煤采空區(qū)邊緣的距離為右側(cè)方向95.3 m,小于保護(hù)煤柱寬170.38 m；其12煤(CK0+850斷面)保護(hù)煤柱寬170.38 m,擬建線路中心距12號煤采空區(qū)邊緣的距離為右側(cè)方向58.7 m,小于保護(hù)煤柱寬170.38 m,只有11煤、12煤采空區(qū)對線路有一定的影響。

根據(jù)以上計算結(jié)果,其12煤(CK0+900斷面)保護(hù)煤柱寬172 m,與本次勘測期間收集到的《開灤(精煤)股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司采煤波及線分布圖》中的采煤波及線距離吻合,既采煤波及線與鐵路保護(hù)煤柱寬是一致的。

11煤、12煤的采掘深度在158.9～160.60 m。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》第五章第二節(jié),地下大面積采空后的地表變形之移動盆地下沉?xí)r間與采掘深度關(guān)系(表4-5-2)，采掘深度100～300 m，下沉終止時間為1～1.5年。而11煤、12煤的開采年代為1970年,距今(勘測時間)有35年,根據(jù)開灤煤礦經(jīng)驗(yàn),開采年限在30年以上的采空區(qū)其沉降基本穩(wěn)定,其殘余沉降較小,且采空區(qū)又經(jīng)過1976年唐山大地震。因此判斷：11煤、12煤采空區(qū)其沉降基本趨于穩(wěn)定,其較小的殘余沉降對線路影響不大。

5 處理措施及結(jié)論

通過以上計算、分析,7煤、8煤、9煤預(yù)留的保護(hù)煤柱符合鐵路線路保護(hù)原則,并且與既有鐵路保護(hù)煤柱一致,而既有鐵路保護(hù)煤柱事實(shí)已經(jīng)證明有效。

通過以上計算、分析, 11煤、12煤采空區(qū)對線路有一定的影響。從對采空區(qū)上方的廠礦企業(yè)的調(diào)查資料證實(shí),現(xiàn)階段：11煤、12煤采空區(qū)其沉降基本趨于穩(wěn)定,其較小的殘余沉降對線路方案的影響不大,但線路通過該地段時應(yīng)以路基形式通過,不應(yīng)以大的結(jié)構(gòu)形式通過該區(qū)。建議該段線路在施工期間及建成運(yùn)營后,應(yīng)對其進(jìn)行沉降觀測工作。

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

[2]《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑出版社，2007

[3]開灤礦務(wù)局范各莊礦.開灤礦務(wù)局范各莊礦礦井地質(zhì)報告[R].唐山：開灤礦務(wù)局，1999

[4]鐵道第二勘測設(shè)計院.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].中國鐵道出版社，2001