鐵路下采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)*

郝 哲 李喜林 王來貴

(1.遼寧有色勘察研究院；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院)

·安全·環(huán)保·

鐵路下采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)*

郝 哲1李喜林2王來貴2

(1.遼寧有色勘察研究院；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院)

以包神鐵路下伏采空區(qū)為例，開展采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)研究。通過對(duì)采空區(qū)破壞狀態(tài)、位置、采空區(qū)圍巖的破壞過程、機(jī)理和冒落規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)出鐵路路基下伏煤層采空區(qū)的分布特征，為有效治理采空區(qū)提供依據(jù)，對(duì)于確保鐵路運(yùn)輸安全具有一定的參考價(jià)值。

采空區(qū) 覆巖 穩(wěn)定性 相似材料 模擬試驗(yàn)

鐵路下伏采空區(qū)將引發(fā)地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。在列車靜動(dòng)荷載作用下，有可能使相對(duì)穩(wěn)定的采空區(qū)圍巖重新活化[1]，導(dǎo)致“三帶”進(jìn)一步發(fā)育或壓實(shí)，地表產(chǎn)生更大的變形。由于巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，理論研究和數(shù)值模擬難以獲得滿意答案，而物理模型相似試驗(yàn)則可以較好地解決此難題[2]。因此，雖然模型試驗(yàn)操作復(fù)雜、費(fèi)用高昂，仍備受研究人員的關(guān)注[1-7]。

參照該領(lǐng)域的研究成果，以包神鐵路下伏采空區(qū)為例，采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)其破壞過程進(jìn)行研究，再現(xiàn)采空區(qū)對(duì)地表變形的影響，總結(jié)出鐵路路基下伏煤層采空區(qū)的分布特征，為開展采空區(qū)治理優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

神華包神鐵路運(yùn)營(yíng)里程172 km，正線延展長(zhǎng)度為263 km，鐵路地處低山丘陵區(qū)，海拔標(biāo)高1 401.8～1 325.0 m，相對(duì)高差76.8 m，地形切割較為劇烈，溝谷極為發(fā)育，基巖裸露，植被稀疏。包神鐵路是內(nèi)蒙古自治區(qū)及陜西省優(yōu)質(zhì)煤炭的運(yùn)輸線，按國(guó)家I級(jí)專用鐵路設(shè)計(jì)，原設(shè)計(jì)輸送能力1 000萬(wàn)t/a。沿線存在正在開采和已廢棄的煤窯、古煤窯，小型采空區(qū)等，采空區(qū)分布廣泛，引起地表多處變形和采空區(qū)塌陷，影響鐵路路基的穩(wěn)定。

為了探明包神鐵路沿線采空區(qū)的分布狀態(tài)，2011年對(duì)包神鐵路沿線采空區(qū)開展了物探調(diào)查，圈定采空異常地段56處，其中可靠采空區(qū)43處，推測(cè)采空區(qū)13處，有的采空區(qū)跨過鐵路，有的采空區(qū)分布于鐵路一側(cè)。其中，示范區(qū)C12采空區(qū)位于鐵路K75+100～K75+600，屬于包神鐵路北段，開采煤層為4#煤層，采深30～40 m，煤厚2～4 m，屬瞬變電磁法解釋的“可靠采空區(qū)”。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)示范采空區(qū)C12的物探實(shí)際煤層厚度及采深，確定采深為35 m、煤厚3 m，采煤方法為采5 m留4 m煤柱的寬巷道掘進(jìn)出煤方案，進(jìn)行地表沉陷、覆巖穩(wěn)定性及相似材料模擬試驗(yàn)。首先根據(jù)物探已探測(cè)的采空區(qū)深度及采出煤層的厚度，觀察上覆巖層變形破壞規(guī)律；然后采出煤柱，逐步增加采煤工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度，觀測(cè)上覆巖層的“三帶”(冒落帶、裂隙帶及彎曲帶)寬度、高度、地表下沉量及頂板巖層垮落角的范圍。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

采空區(qū)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括相似材料、壓力測(cè)試裝置(BW-5型微型壓力盒)和位移場(chǎng)光測(cè)裝置(XJTUDP三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng))。

2.1 相似材料參數(shù)

選取硅砂、碳酸鈣和石膏等材料，按照規(guī)定的抗壓強(qiáng)度配比作為骨料，選取水泥、石灰、高嶺土、石蠟和配有緩凝劑的蒸餾水溶液作為膠結(jié)物。攪拌均勻后，按照模型尺寸進(jìn)行填裝建模。相似材料視密度為1.5 g/cm3，硅砂粒徑為50～100目，層間采用云母粉分層，每次裝填厚度為5～10 mm。巖體參數(shù)見表1，相似材料配比見表2。

表1 巖體材料參數(shù)

表2 相似材料配比

2.2 相似材料模型

選用由槽鋼和角鋼組成的平面模型架，架長(zhǎng)2.0 m、寬0.25 m、高2.0 m。依據(jù)采空區(qū)的范圍和采深，確定相似材料配比為1∶100，相似材料模型見圖1。

圖1 相似材料模型

根據(jù)相似材料模型大小和實(shí)際精度需求，在煤層頂板上方每5 cm布置1條測(cè)線直至地表，在測(cè)線上每間隔10 cm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移來觀測(cè)地表移動(dòng)變形及上覆巖層的變形情況。測(cè)線由上至下依次編號(hào)為0、1、2…，測(cè)點(diǎn)由左至右依次編號(hào)為1、2、3…。測(cè)點(diǎn)及測(cè)線布置詳見圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

掘進(jìn)出煤的模擬結(jié)果見圖3～圖5。

圖2 測(cè)點(diǎn)及測(cè)線布置

圖3 采5 m留4 m煤柱(初采)

因煤層埋藏較淺，上覆巖層重量較輕，且頂板為中硬巖層(中細(xì)砂巖)，強(qiáng)度較高。按采5 m留4 m的原則掘進(jìn)出煤時(shí)，在煤柱的支撐作用下，煤層頂板未發(fā)生離層，且在橫向與縱向均未產(chǎn)生明顯裂縫，頂板完好不冒落。

隨著煤柱逐步被采出，頂板跨距越來越大，在自重作用下，頂板開始離層產(chǎn)生裂隙，隨著工作面不斷推進(jìn)，裂隙逐漸向上發(fā)展，原有裂隙不斷擴(kuò)大直至冒落，冒落帶長(zhǎng)68 m，高17.5 m,見圖6～圖9。

圖4 采5 m留4 m煤柱(逐漸開采)

圖5 采5 m留4 m煤柱(開采完畢)

圖6 采14 m留4 m煤柱(初采)

圖7 采14 m留4 m煤柱(開采完畢)

圖8 采32 m留4 m煤柱

當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為95 m時(shí)，頂板離層下沉發(fā)展至地表，冒落帶高22.72 m，裂隙帶擴(kuò)展至地表，地表下沉最大值為3.7 m，見圖10。

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，冒落帶和裂隙帶的長(zhǎng)度繼續(xù)擴(kuò)大，但高度不再增加，地表下沉最大值仍為3.7 m，說明已達(dá)到充分采動(dòng)，地表為下沉盆地，巖層垮落角約為69°。在下沉盆地的邊緣和中間，產(chǎn)生裂縫，表明在該部位可能產(chǎn)生地裂縫或塌陷坑，見圖11～圖13。

圖9 采68 m留4 m煤柱

圖10 采104 m留4 m煤柱

圖11 采140 m無(wú)煤柱

圖12 采140 m無(wú)煤柱模型后部

圖13 采完地表變形破壞情況

各測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖14?？梢?，線與線間距不均等，表明巖層間存在裂隙，間距越大，裂縫越寬；線上點(diǎn)重合，表明該部位巖層整體下沉；線中間斷開，說明此處為冒落區(qū)。

圖14 測(cè)點(diǎn)位移

4 結(jié) 論

(1)通過相似材料模型試驗(yàn)，顯示采空區(qū)對(duì)上覆巖層及地表的影響程度與采空區(qū)范圍、所采煤層的厚度和深度以及煤層頂板的巖性有關(guān)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)煤層埋藏較淺且頂板較穩(wěn)定，煤炭采出后由于小煤柱的支撐作用，煤層頂板不易跨落，在采空區(qū)上方不會(huì)形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，對(duì)地表影響不大。

(3)采煤工作面達(dá)到一定長(zhǎng)度后，采出后頂板在自重及上覆巖層的作用下，產(chǎn)生裂隙及離層直至垮落，垮落長(zhǎng)度、高度與煤層厚度、工作面長(zhǎng)度及頂板巖性有關(guān)。

(4)當(dāng)工作面長(zhǎng)度范圍大于65 m時(shí)，煤炭采出后頂板會(huì)發(fā)生垮落，在采空區(qū)上方形成冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶；煤層埋藏較淺時(shí)，只有冒落帶和裂隙帶，頂板巖層垮落角為65°～70°。

(5)采空區(qū)上方裂隙帶或彎曲下沉帶發(fā)展至地表時(shí)，地表變形破壞明顯，出現(xiàn)下沉盆地，在下沉盆地的邊緣和中部產(chǎn)生拉裂縫，該區(qū)域地表可能產(chǎn)生大裂縫或塌陷坑，大氣降水通過裂縫滲入采空區(qū)或采空區(qū)上覆巖層中，降低采空區(qū)煤柱或采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性。

(6)探測(cè)的地下采空區(qū)范圍已超出引起地表下沉的工作面長(zhǎng)度的臨界值，從而引起地裂縫或塌陷，可通過采空區(qū)注漿減少不均勻沉降量，提高地基巖土體的整體性能。注漿孔宜按梅花形布設(shè)，為了不影響鐵路的正常運(yùn)行，可在靠近鐵路直孔內(nèi)插斜孔，實(shí)現(xiàn)漿液注至鐵軌下部，保證注漿效果。

[1] 陳 龍.高速公路橋隧下伏采空區(qū)穩(wěn)定性分析的相似模擬試驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

[2] 張曉君.采空區(qū)破壞過程的模擬試驗(yàn)研究[J].金屬礦山，2007(8)：215-217.

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[4] 李俊平，李向陽(yáng).下凹地形下采空區(qū)處理方案的相似模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(4)：581-586.

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[7] 王進(jìn)學(xué)，王家臣，董衛(wèi)軍，等.礦體地下連續(xù)開采頂板崩落相似模擬試驗(yàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(2)：172-175.

Model Test on Stability of the Surrounding Strata of Goaf Under Railway

Hao Zhe1Li Xilin2Wang Laigui2

(1. Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute;2. College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University)

Taking the goaf under the Baoshen railway as the research example,simulation test is conducted on the stability of surrounding strata of the goaf under railway. The collapse state, location of the goaf, the destruction process, mechanism and caving rule of the surrounding strata of the goaf are analyzed in depth, therefore,the distribution characteristics of the goaf of the underlying coal seams under the railway subgrade is summarized so as to provide the basis for effective governance goaf. Besides that,the research results in this paper can also has the certain value for ensuring the safety of railway transportation.

Goaf, Surrounding strata, Stability, Similar materials, Simulation test

*沈陽(yáng)市科技局計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：F13-165-9-00)；遼寧省教育廳高?？蒲许?xiàng)目(編號(hào)：L2010377)。

2015-01-06)

郝 哲(1972—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，110013 遼寧省沈陽(yáng)市沈河區(qū)北京街7號(hào)。