神邵線大面積采空區(qū)線路方案研究

張樂樂

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

地下礦層大面積采空后，礦層上部失去支撐，平衡條件被打破，采空區(qū)上方巖體將隨之產(chǎn)生變形，引起地表下沉變形，進(jìn)而形成移動盆地。鐵路工程穿越采空區(qū)移動盆地時(shí)，一般會承受垂直、縱向及橫向移動和變形，對鐵路工程的安全運(yùn)營產(chǎn)生較大影響。

1 工程概況

神峪河至邵寨鐵路位于甘肅省平?jīng)鍪校€路方案通過的新柏煤礦分布有大面積的采空區(qū)，為控制該段線路方案是否可行的主要不良地質(zhì)因素。線路通過新柏煤礦時(shí)有CK與C2K兩局部比選，其中CK方案以路基工程從采空區(qū)附近通過，距離采空區(qū)邊界最近處約420 m，橋隧比例82%，工程造價(jià)高。C2K方案以隧道工程從采空區(qū)附近通過，距離采空區(qū)邊界最近處約65 m，橋隧比例58%，工程造價(jià)低[1]。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

該區(qū)段地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)延長群(T3y)、侏羅系中統(tǒng)華亭群(J2h)及第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層。

1)三疊系上統(tǒng)延長群(T3y)：灰綠色、黃綠色砂巖為主，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部夾有砂質(zhì)泥巖及泥巖薄層。與上覆侏羅系中統(tǒng)華亭群呈假整合接觸，為煤系沉積的基底。

2)侏羅系中統(tǒng)華亭群(J2h)：根據(jù)鉆探資料，華亭群地層共分為4組，主要由砂巖、礫巖、泥巖、煤層及劣質(zhì)油頁巖等組成，平均厚度為347.62 m，其中主含煤地層及可采煤層煤5層為華亭群第1組。

3)第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3eol)：主要為風(fēng)積砂質(zhì)黃土，分布于礦區(qū)地表，具垂直節(jié)理，下部含鈣質(zhì)結(jié)核，厚10～20 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

新柏煤礦井田正處于安口—新窯向斜與新窯小向斜之間。井田呈單斜構(gòu)造，井田內(nèi)無明顯的褶皺及斷裂構(gòu)造。

3 煤田的開采情況及煤層頂、底板巖性

3.1 煤田開采情況

新柏煤礦含煤12層，可采煤層主要為煤5層，平均厚度10.26 m，埋深300～380 m，煤層傾角15(°)～21(°)，當(dāng)前采空區(qū)煤層傾角為18(°)。

新柏煤礦采煤采用走向長臂綜采放頂煤采煤方法，全部跨落法管理頂板，目前采煤層為煤5層，為初次采動充分采動。

3.2 采煤層頂、底板地層巖性

主采煤層煤5層頂板巖性為灰褐色及灰黑色劣質(zhì)油頁巖，厚3.3～5.0 m，上部巖性主要為灰白、淺灰色砂巖、礫巖及泥巖等，厚295～370 m；底板巖性以灰褐色砂巖為主，局部夾泥巖。

4 采空區(qū)地表移動與變形的預(yù)測

4.1 地表最大下沉值預(yù)測[2]

地表最大下沉值為：

η0=q0m·cosα

(1)

式(1)中：η0為地表最大下沉值；m礦層的法線厚度，m；α為礦層傾角，(°)；q0為充分采動情況下的下沉系數(shù)。

可采煤層煤5層平均厚度10.26 m，煤層傾角18(°)，取α為18(°)，q0取值0.7。計(jì)算得地表最大下沉值為6.83 m。

4.2 地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形預(yù)測

地面影響區(qū)半徑為：

r=H/tanβ

(2)

式(2)中：H為開采深度，300 m；β為移動角，69.2(°)，依據(jù)采空區(qū)情況計(jì)算r為113.9 m。

最大傾斜值：

i0=η0/r=6 830/113.9=59.96 mm/m；

最大曲率值：

k0=±1.52η0/r2=±1.52×6 830/113.92=±0.8 mm/m2；

最大水平移動值：

ξ0=bη0=0.3×6 830=2 049 mm，b為水平移動系數(shù)，取值0.3；

最大水平變形值：

ε0=±1.52bi0=±1.52×0.3×59.96=27.34 mm/m。

4.3 移動盆地邊界預(yù)測

4.3.1 采空區(qū)邊界角的確定

基巖采空區(qū)移動盆地臨界邊界距離主要參數(shù)為邊界角：β0(下山邊界角)、γ0(上山邊界角)及δ0(走向邊界角)，可按以下公式計(jì)算：

β0=β-15(1-0.01α)

γ0=γ-15

δ0=δ-15

式中β、γ及δ分別為下山移動角、上山移動角及走向移動角。

參照國內(nèi)煤礦移動盆地有關(guān)數(shù)值，新柏采空區(qū)β取值56.9(°)，γ取值78(°)，δ取值78(°)。經(jīng)計(jì)算：采空區(qū)邊界角數(shù)值為：β0=60.7(°)，γ0=63(°)，δ0=63(°)。

4.3.2 移動盆地臨界邊界距離的確定

移動盆地臨界邊界距離計(jì)算公式如下：

L=H1/tanφ+H2/tanβ0(γ0,δ0)

式中H1為表層覆蓋土層厚度，H2為采空區(qū)上覆巖層厚度，φ為表層土層的內(nèi)摩擦角。

分別計(jì)算點(diǎn)a～i移動盆地臨界邊界距離(見表1)，并繪制出移動盆地預(yù)測邊界(見圖1)。

表1 移動盆地臨界邊界距離計(jì)算

圖1 線路方案及采空區(qū)概況

5 采空區(qū)場地穩(wěn)定性、適宜性評價(jià)

由于新柏煤礦仍在開采，隨著開采繼續(xù)，地表變形將持續(xù)發(fā)展，移動盆地邊界繼續(xù)擴(kuò)大，采空區(qū)變形處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)計(jì)算，采空區(qū)地表最大傾斜值為59.96 mm/m，地表最大曲率值為0.8 mm/m2，地表最大水平變形值為27.34 mm/m。地表傾斜大于10 mm/m，地表最大曲率大于0.6 mm/m2或地表最大水平變形大于6 mm/m的地段不宜作為建筑場地[3-4]。綜上，移動盆地范圍內(nèi)不宜作為建筑場地。

6 采空區(qū)對線路方案的影響

CK線路方案位于移動盆地預(yù)測邊界外，距離移動盆地預(yù)測邊界大于200 m，以路基工程通過，采空區(qū)對CK線路方案基本無影響，線路可以正常通過。

C2K線路方案局部段落位于采空區(qū)移動 盆地預(yù)測邊界內(nèi)，以隧道工程通過。由于采空區(qū)變形處于不穩(wěn)定狀態(tài)，移動盆地邊界內(nèi)場地為不宜建筑地段；另據(jù)采空區(qū)地表變形計(jì)算結(jié)果，采空區(qū)地表最大下沉值預(yù)測為6 830 mm，最大水平移動值預(yù)測為2 049 mm，軟巖、小跨隧道Ⅳ級圍巖情況下隧道預(yù)留變形量值為50 mm[5-6]，由于采空區(qū)地表變形預(yù)測值遠(yuǎn)大于規(guī)范容許隧道變形值，C2K線路方案通過時(shí)可能會造成隧道變形、開裂，甚至導(dǎo)致隧道廢棄。通過綜合分析，采空區(qū)對C2K線路方案影響很大，存在安全隱患。

7 結(jié) 語

經(jīng)詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查與計(jì)算分析，移動盆地邊界內(nèi)地表變形值不滿足規(guī)范要求，不宜作為建筑場地，其中C2K方案局部段落位于移動盆地邊界內(nèi)，采空對工程影響極大，存在安全隱患，而CK方案距移動盆地邊界仍有一定距離，采空對工程基本無影響。由于目前除了繞避采空區(qū)的方法之外，對大礦深部采空帶來的地面沉降沒有切實(shí)有效的工程整治措施，經(jīng)過綜合比較，選用工程造價(jià)高但受采空影響小的CK線路方案，而工程造價(jià)低的C2K方案存在極大安全隱患，方案不可行。

由于新柏煤礦仍在開采中，隨著開采繼續(xù)，地表變形將持續(xù)發(fā)展，移動盆地邊界隨著煤層開采繼續(xù)擴(kuò)大，因此在開采過程中應(yīng)為CK線路方案預(yù)留保護(hù)煤柱，確保保護(hù)煤柱內(nèi)煤層不被開采，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)地表變形監(jiān)測工作。