鐵路通過煤礦采空區(qū)的地質(zhì)選線及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王　旭

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

Geological Route Selection of Railway in Goal and its Stability Evaluation

WANG Xu

鐵路通過煤礦采空區(qū)的地質(zhì)選線及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王旭

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

Geological Route Selection of Railway in Goal and its Stability Evaluation

WANG Xu

摘要總結(jié)小煤窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及處理措施，結(jié)合工程實(shí)例，提出大面積采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)地表位移實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷的建議。

關(guān)鍵詞地質(zhì)選線采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在近年來的鐵路勘察設(shè)計(jì)中，西部地區(qū)的包西線、西平線、銀西線等都不同程度的遇到了采空問題。結(jié)合鐵路工程實(shí)例，對(duì)鐵路通過采空區(qū)的地質(zhì)選線、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討。

1采空區(qū)的特征及分類

煤礦采空區(qū)為煤層(巷道)開采后在地面以下形成的空洞，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可分為不同的種類。一般情況下，將采空區(qū)分為小煤窯采空區(qū)及現(xiàn)代大面積采空區(qū)(見表1)。

表1　煤礦采空區(qū)的分類及變形特性

2采空區(qū)鐵路地質(zhì)選線原則及一般流程

采空區(qū)地質(zhì)選線的核心是解決采空區(qū)引起的地表塌陷、變形問題。

選線原則可總結(jié)為在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，避免地表變形、塌陷對(duì)鐵路工程造成失穩(wěn)或破壞。

在此原則下，可通過兩種途徑解決選線問題。①線路繞避采空區(qū)，選擇地表安全范圍內(nèi)通過。②線路通過采空區(qū)，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，采取一定的工程處理措施，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

3采空區(qū)外選線

3.1　采空區(qū)安全距離的確定

繞避采空區(qū)，需首先確定其安全避讓距離。對(duì)大面積采空的安全距離確定，業(yè)內(nèi)普遍采用移動(dòng)盆地法確定，即根據(jù)采空區(qū)上覆地層的巖移角，確定移動(dòng)盆地的邊界，再根據(jù)鐵路對(duì)沉降控制的要求，確定安全距離。

(1)

式中h1———第四系覆蓋層厚度；

h2———采空頂板以上基巖厚度；

φ———第四系覆蓋層移動(dòng)角；

δ—基巖移動(dòng)角。

根據(jù)公式確定移動(dòng)盆地邊界，鐵路基礎(chǔ)邊界與移動(dòng)盆地邊界應(yīng)設(shè)置一定的安全維護(hù)帶。

圖1　大面積采空區(qū)安全距離計(jì)算

小煤窯采空區(qū)由于其自身的特點(diǎn)，不會(huì)形成移動(dòng)盆地，一般形成裂縫及塌陷坑。小煤窯采空的地表變形范圍一般根據(jù)底邊裂縫、塌陷等特征調(diào)查測(cè)繪圈定。當(dāng)?shù)乇砩形闯霈F(xiàn)裂縫或裂縫尚未達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)，可參考同類型小型采空區(qū)的裂縫角用類比法確定。

3.2　巖移參數(shù)的選取

煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)盆地邊界的巖角參數(shù)是移動(dòng)盆地上某邊界點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱某一側(cè)的夾角。

地表移動(dòng)盆地可劃分為三個(gè)邊界。(1)地表變形邊界：即地表變形為零的邊界，該邊界對(duì)應(yīng)的巖移角是邊界角，在具體實(shí)踐中通常以垂直變形小于10 mm外側(cè)邊界對(duì)應(yīng)巖移角作為邊界角。(2)危險(xiǎn)移動(dòng)邊界：該邊界是地表變形對(duì)建筑物有無危害而劃分的邊界，所對(duì)應(yīng)的巖移角為移動(dòng)角，具體標(biāo)準(zhǔn)為地表傾斜值i≤3 mm/m；地表曲率K≤0.2×10-3mm/m；水平變形ε≤2 mm/m。(3)裂縫邊界：該邊界是移動(dòng)盆地內(nèi)出現(xiàn)的最外側(cè)裂縫邊界，所對(duì)應(yīng)的巖移角是邊界角。

上述巖移參數(shù)均需要實(shí)際測(cè)量確定，在鐵路選線時(shí)可收集煤礦測(cè)量資料或經(jīng)驗(yàn)資料確定巖移參數(shù)。

李國(guó)和等人的研究表明，對(duì)于一般普速鐵路，可采用移動(dòng)角來計(jì)算安全距離，而對(duì)于高速鐵路，移動(dòng)角的地表曲率臨界值不能滿足高速鐵路設(shè)計(jì)的要求，需采用邊界角帶入公式(1)計(jì)算[2]。

4采空區(qū)內(nèi)選線及工程設(shè)置

當(dāng)采空區(qū)無法繞避時(shí)，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出合適的工程形式及處理措施。

4.1　小煤窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理措施

(1)小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

小煤窯采空由于采空寬度較小，頂板自穩(wěn)性優(yōu)于大面積采空?！惰F路工程地質(zhì)手冊(cè)》[3]根據(jù)采空區(qū)上部荷載及巖體自身重力與周邊圍巖側(cè)摩阻力平衡的平衡狀態(tài)，確定采空區(qū)頂板巖層穩(wěn)定的臨界深度為

(2)

式中H0——頂板穩(wěn)定的臨界深度/m；

2a——巷道寬度/m；

γ——上覆巖層重度/(kN/m2)；

φ——巖層內(nèi)摩擦角/(°)；

R——建筑物基地壓力/(kN/m2)。

當(dāng)R=0時(shí)，即采空區(qū)地表無附加壓力，H0為采空頂板巖層的自穩(wěn)的臨界深度。

取巷道寬度2a=4 m，取常見巖石內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗(yàn)值φ=50°，取鐵路活載R=150 kN/m2。計(jì)算得H0=30 m。鐵一院根據(jù)陽涉鐵路、神延鐵路等采空區(qū)評(píng)價(jià)治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：頂板基巖厚度小于30 m時(shí)，采空區(qū)地表可能產(chǎn)生陷落、垮塌，所有工程均需處理; 頂板基巖厚度30～60 m，采空區(qū)地表可能發(fā)生變形或產(chǎn)生輕微裂縫，對(duì)變形要求高的重點(diǎn)工程需處理; 頂板基巖厚度大于60 m時(shí)，采空區(qū)地表基本穩(wěn)定，一般工程可不做處理，重點(diǎn)工程需進(jìn)行穩(wěn)定性分析，綜合考慮。這與公式(2)計(jì)算結(jié)果基本一致。

包西鐵路增建二線的實(shí)踐中，進(jìn)一步驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。包西鐵路常興煤礦，澄河礦區(qū)長(zhǎng)寧河煤，屬小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)埋深150 m，線路以路基通過，設(shè)計(jì)時(shí)未采取處理措施。2010年通車運(yùn)營(yíng)以來，未見病害。

(2)小煤窯采空的處理措施

小煤窯采空區(qū)一般埋深較淺，為采空區(qū)處理提供了可能。神延鐵路，包西鐵路增建二線對(duì)埋深小于60 m的小煤窯采空采取了鉆孔灌注黃土水泥漿處理。橋梁、路基工程施工前應(yīng)先進(jìn)行處理，再進(jìn)行基礎(chǔ)施工；隧道工程應(yīng)先進(jìn)行洞內(nèi)物探、有針對(duì)性的鉆探，確定隧道基底的采空區(qū)空間分布特征，再進(jìn)行灌漿處理。上述鐵路通車后運(yùn)營(yíng)安全，證明了處理措施的有效性。

4.2　現(xiàn)代大面積采空的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

現(xiàn)代大面積煤礦采空區(qū)開采面積大、回采率高、開采深度大，地表形成移動(dòng)盆地。一般認(rèn)為在移動(dòng)盆地外的地表變形對(duì)工程影響極小，可忽略。在移動(dòng)盆地內(nèi)，地表變形是不可抗拒的，地表變形隨時(shí)間累積逐漸變小，最后變形終止?！惰F路工程地質(zhì)手冊(cè)》[3]總結(jié)了移動(dòng)盆地地表下沉?xí)r間與采掘深度的關(guān)系(如表2)。

表2　移動(dòng)盆地下沉?xí)r間與采掘深度關(guān)系

實(shí)際上，移動(dòng)盆地地表下沉與多種因素有關(guān)，并非符合表2所列的工況時(shí)，就能保證地表建筑物不受損害，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)地表變形來判斷移動(dòng)盆地是否穩(wěn)定，當(dāng)?shù)乇怼白冃巍獣r(shí)間”曲線收斂時(shí)，地表變形可視為終止。

長(zhǎng)武—安華煤運(yùn)專用線通過亭南煤礦111、113工作面，采空區(qū)頂板巖層為侏羅系泥巖，開采深度約400 m，采厚5～6 m，采用綜采放頂煤方式開采，2008年12月開始回采(如圖2)。

圖2　安華煤運(yùn)專用線通過采空區(qū)示意圖

煤礦于2010年開始地表變形監(jiān)測(cè)，選取線路附近M監(jiān)測(cè)線的代表性點(diǎn)作累積沉降量—時(shí)間曲線(如圖3)。

圖3　亭南煤礦采空區(qū)沉降-時(shí)間曲線

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)自2010年至2012年間，地表沉降速度未見減小，且呈加速趨勢(shì)，地面沉降未見終止趨勢(shì)，最大累積沉降量已達(dá)到250 mm。該方案通過采空區(qū)不成立，需另行選線。因此不能按照表2所列的工況確定采空區(qū)地表下沉是否終止，而應(yīng)按照地表位移實(shí)際監(jiān)測(cè)情況評(píng)價(jià)地基的穩(wěn)定性。

西平鐵路DK130+000～DK131+100段通過下溝煤礦ZF2801、ZF2803兩個(gè)工作面。采空區(qū)頂板為侏羅系砂巖夾泥巖，開采深度360～380 m，采厚約7.5 m，采用長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化放頂煤方式開采，回采時(shí)間2005年9月至2006年1月，煤礦于2005年10開始地表變形監(jiān)測(cè)(如圖4)。

圖4　西平鐵路通過煤礦采空區(qū)示意

選取代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)作累積沉降量—時(shí)間曲線(如圖5)。

圖5　下溝煤礦采空區(qū)沉降-時(shí)間曲線

圖5曲線隨時(shí)間推移趨于收斂，揭示地表變形速度逐漸較小，直至變形終止。該段線路最終選定通過采空區(qū)及其影響范圍。線路的工程設(shè)置涉及橋梁、隧道及路基工程，對(duì)隧道采取了加固措施，橋梁采取簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。2013年西平鐵路通車運(yùn)營(yíng)，至目前為止未見明顯病害。

通過安華煤運(yùn)專用線選線及西平鐵路安全運(yùn)營(yíng)的實(shí)例可以得出，對(duì)大面積采空的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)地表位移實(shí)際觀測(cè)成果確定，當(dāng)沉降速度逐漸減小，沉降曲線趨于緩和時(shí)，普速鐵路可以通過采空區(qū)，反之則需繞避。高速鐵路需根據(jù)工后沉降要求，進(jìn)行專門研究。

5結(jié)論

(1)煤礦采空區(qū)可分為小煤窯采空區(qū)和現(xiàn)代大面積采空區(qū)。

(2)大面積采空區(qū)的安全距離應(yīng)根據(jù)移動(dòng)盆地的巖移參數(shù)確定。普速鐵路采用巖層移動(dòng)角，高速鐵路采用巖層邊界角。

(3)一般情況下，深度大于60 m的小煤窯采空區(qū)無需處理，重點(diǎn)工程需個(gè)別論證。

(4)大面積采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)需根據(jù)地表位移觀測(cè)結(jié)果確定。

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中圖分類號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0054-03

作者簡(jiǎn)介：王旭(1985—)，男，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-27