包西鐵路毛烏素沙地大面積煤礦采空區(qū)地質(zhì)選線研究

孫寶忠，胡清波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司地路院，北京 100055)

1 概況

新建包西鐵路通道包頭至神木段位于內(nèi)蒙古包頭市、鄂爾多斯市和陜西省神木縣境內(nèi)，南端與既有神延線鐵路連接，線路全長(zhǎng)239.7 km，是國(guó)家路網(wǎng)“八縱八橫”主骨架包頭至柳州南北鐵路大通道北段，線路大致呈南北走向。

本線經(jīng)過(guò)的烏蘭木倫河沿線煤炭資源豐富，侏羅系等煤系地層分布廣泛，煤層厚度大，煤礦開采歷史悠久，采空區(qū)分布廣、規(guī)模大，埋藏條件復(fù)雜多樣，不僅有眾多歷史悠久的古窯，也有正在大范圍開采的新近礦區(qū)，致使采空區(qū)分布情況復(fù)雜，勘察和處理難度大。大面積煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。煤礦采空區(qū)及資源壓覆等因素控制明顯，是本項(xiàng)目鐵路地質(zhì)選線的工作重點(diǎn)和重要因素。

2 線位方案

根據(jù)沿線煤礦采空區(qū)分布及煤礦資源的壓覆等因素的控制，結(jié)合線路走向，綜合比選和研究了大保當(dāng)接軌(貫通)和紅柳林接軌(比較)兩大線路走向方案，如圖1所示。

圖1 大保當(dāng)接軌方案和紅柳林接軌方案示意

2.1 大保當(dāng)接軌方案

線路自ICK124+000出鄂爾多斯站，沿東南行進(jìn)至油房溝后折向西南，于皂火壕附近上跨在建東烏鐵路，跨越府神公路后到達(dá)中雞鎮(zhèn)。在錦界井田、紅柳林井田、檸條塔井田西側(cè)設(shè)錦界煤炭裝車站，再沿河則溝而下，跨禿尾河、袁家溝、黑龍溝，至比較終點(diǎn)神延線大保當(dāng)站。線路全長(zhǎng)138.818 km。

2.2 紅柳林接軌方案

線路順昆獨(dú)龍溝而下，跨銅匠川，與既有包神線同走行于昆獨(dú)龍溝東岸。在新沙沙圪臺(tái)設(shè)站后南行，跨東烏蘭木倫河，沿其西岸南行。跨越伊金霍洛旗烏蘭木倫煤田、神木縣大柳塔礦區(qū)(采空區(qū))后，于大柳塔鎮(zhèn)朱蓋塔村以橋梁的形式上跨既有包神鐵路，隨后轉(zhuǎn)入窟野河河谷區(qū)，走行于烏蘭木倫河的西岸，引入紅柳林車站。線路全長(zhǎng)165.890 km。

3 煤礦采空區(qū)的工程地質(zhì)特征

大保當(dāng)接軌方案不穿越煤礦采空區(qū);紅柳林接軌方案穿越煤礦采空區(qū)，煤礦采空區(qū)主要沿烏蘭木倫河谷兩岸分布。

3.1 地形地貌

本段線路地形起伏較大，溝壑縱橫，沖溝下切嚴(yán)重，水土大量流失，溝谷中基巖裸露。沿線烏蘭木倫河谷區(qū)為“U”形，寬闊而平緩，岸坡上“V”形沖溝發(fā)育。線路沿線植被稀疏。

3.2 地層巖性

地表為第四系全新統(tǒng)砂類土夾圓礫土;上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，具Ⅰ級(jí)非自重濕陷性(濕陷系數(shù) δ0=0.020)，厚度2～20 m?；鶐r為上第三系紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，總厚度大于40 m，泥巖具弱膨脹性。侏羅系含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及煤層，為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，巖層產(chǎn)狀水平～緩傾斜。砂巖和礫巖有弱膨脹性。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，主要為伊陜地臺(tái)區(qū)，主要表現(xiàn)為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升，無(wú)大的褶皺和斷裂帶，地層產(chǎn)狀平緩，呈微傾向北和北西的單斜地層。傾角一般3°～15°，局部波狀起伏。巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。

3.4 煤層分布及煤礦開采情況

3.4.1 煤層分布

侏羅系為含煤地層，廣泛分布在線路所處地區(qū)。侏羅系下統(tǒng)延安組砂、泥巖地層共有9個(gè)煤組18層煤，煤層單層平均厚度為 0.99 ～2.74 m，總厚度約17 m，煤組間距6～40 m。各煤組特征見(jiàn)表1。

3.4.2 煤層開采情況

由于沿線煤炭資源極其豐富，煤層埋深小于100 m。歷史上曾有數(shù)百家大、中、小型煤礦在該區(qū)采煤，除后補(bǔ)連煤礦為露天開采外，其余煤礦都為斜井井下開采。大型煤礦主要為神華集團(tuán)所有，以機(jī)械化開采為主;中、小型煤礦以人工開采為主。

通過(guò)收集既有資料(煤礦井上下對(duì)照?qǐng)D、煤礦開采工程平面圖等)，開展遙感技術(shù)(Landsat-7 ETM+數(shù)據(jù)遙感解譯影像、航空像片解譯)、地面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、物探(高密度電法)及訪問(wèn)當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)等工作，了解小煤礦開采歷史情況，研究地質(zhì)勘察取得的成果資料，進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)，查明的沿線煤礦及采空區(qū)的空間分布特征情況(表2)。

采空區(qū)沿烏蘭木倫河兩岸和河谷中廣泛分布，線路通過(guò)段采空區(qū)累計(jì)長(zhǎng)度為18.1 km。

表1 主要可采煤組特征

表2 沿線煤礦及采空區(qū)分布情況調(diào)查

3.5 采空區(qū)的水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要分布于河谷內(nèi)松散的碎石土及砂類土中，水位埋深3～5 m，水量較大，水質(zhì)較好，受河流及大氣降水的補(bǔ)給?；鶐r裂隙水主要賦存于侏羅系的砂巖中，為節(jié)理裂隙水，水量較大。泥巖具有弱膨脹性，在地下煤層大面積開挖后，基巖裂隙水會(huì)沿采空區(qū)四周宣泄，浸泡泥巖，使其軟化、崩解，從而使煤層頂部產(chǎn)生冒落、撕裂、彎曲，使地面下沉或塌陷。

3.6 采空區(qū)的地面變形

由于烏蘭木倫河兩岸煤礦的大面積開采，在地下形成了較大的采空區(qū)。根據(jù)航空像片解譯及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采空區(qū)范圍內(nèi)的山體多處出現(xiàn)變形、塌陷及地裂縫。紅柳林方案線路ICK171+200～I(xiàn)CK172+260左側(cè)150 m至岸邊之間有大量的小煤窯塌陷坑，見(jiàn)圖2。因煤礦采空，部分村民房屋出現(xiàn)大面積開裂，溝谷中的溪水大部分已斷流。

圖2 ICK171+900左側(cè)150 m小煤窯塌陷坑

3.7 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

經(jīng)綜合勘察查明，ICK155+600～I(xiàn)CK219+400段內(nèi)，共有7段采空區(qū)，累計(jì)長(zhǎng)度為18.1 km。根據(jù)采空區(qū)的地層巖性、開采情況、地面塌陷及變形計(jì)算等綜合評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。由于采空區(qū)尚未達(dá)到“充分采動(dòng)”，水平和垂直變形都發(fā)展很快，且不均勻。計(jì)算表明，采空區(qū)的最大下沉值約為1.90 m，最大水平移動(dòng)值約為0.76 m，最大水平變形值約為48.19 mm/m。根據(jù)當(dāng)?shù)夭擅簹v史較長(zhǎng)，不同規(guī)模的煤礦較多，大部分采空區(qū)已產(chǎn)生了明顯的地表變形，采空區(qū)還未達(dá)到穩(wěn)定，地面下沉還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，隨著開采的進(jìn)一步推進(jìn)，地面下沉的速度會(huì)隨之加快，處于移動(dòng)和變形活躍階段。在采空區(qū)上覆地表修建鐵路，地表下沉將引起采空區(qū)上部橋涵工程的基礎(chǔ)下沉、開裂及失穩(wěn)，還會(huì)引起路基的沉落及線路坡度的改變等，給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)無(wú)窮的后患。該采空區(qū)對(duì)工程影響較大，鐵路不宜從該采空區(qū)通過(guò)，建議繞避。

4 風(fēng)沙區(qū)的工程地質(zhì)特征

大保當(dāng)接軌方案大部分地段走行于毛烏素沙地邊緣。根據(jù)沙丘的活動(dòng)程度，可將方案研究區(qū)內(nèi)的沙丘分為固定沙丘、半固定沙丘和流動(dòng)沙丘三種。

固定沙丘一般呈冢狀，單個(gè)沙丘規(guī)模較小，高度也不大，通常只有10～20 m。整體景觀高低不平，具粗糙感。

半固定沙丘地表起伏不平，形態(tài)較復(fù)雜，單個(gè)沙丘呈渾圓或長(zhǎng)條形狀，沙丘規(guī)模較小，高度一般在5～10 m，流沙呈斑點(diǎn)分布。本著因地制宜，因害設(shè)防的原則，積極采取工程措施、生物措施和化學(xué)措施治理，防護(hù)可控。半固定沙丘對(duì)線路的危害程度較小。

流動(dòng)沙丘均以新月形沙丘和新月形沙丘鏈形式存在。方案區(qū)內(nèi)新月形沙丘最顯著的特點(diǎn)是平面有新月形的形狀，沙丘兩側(cè)有順著風(fēng)向伸出的翼角，迎風(fēng)坡凸出而平緩，背風(fēng)坡凹而陡，沙丘高度很少超過(guò)15 m。新月形沙丘活動(dòng)性大，對(duì)鐵路危害較大。新月形沙丘鏈?zhǔn)怯蓡蝹€(gè)新月形沙丘相互連接而成的，其移動(dòng)速度不如新月形沙丘快。流動(dòng)沙丘隨風(fēng)移動(dòng)，有疏松的沙層，完全裸露，規(guī)模大小不一，初期規(guī)模小，后期規(guī)模大。流動(dòng)沙丘對(duì)鐵路危害程度較大。鐵路不宜從流動(dòng)沙丘區(qū)通過(guò)，建議繞避。

5 線路方案選擇

5.1 選線原則

在可行性研究階段采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線應(yīng)結(jié)合線路走向和采空區(qū)分布，進(jìn)行大區(qū)域的方案比選，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件合理的前提下，盡量繞避采空區(qū)，從安全地帶或尚未開采的礦區(qū)通過(guò)。

風(fēng)沙區(qū)選線原則，線路應(yīng)繞避風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段，不宜深入沙漠內(nèi)部，宜選擇在輕微風(fēng)沙地段、山前凸型地帶、防風(fēng)林帶內(nèi)側(cè)通過(guò);線路的走向宜與主風(fēng)向平行，不設(shè)或少設(shè)曲線，必需設(shè)置曲線時(shí)應(yīng)避免采用小半徑，并宜將曲線設(shè)計(jì)為路堤，外側(cè)朝向主風(fēng)向;線路宜采用高度不小于1.0 m的路堤，避免采用零斷面、半堤半塹及路塹，特別是長(zhǎng)深的路塹，必要時(shí)可采用敞開式淺路塹;車站應(yīng)選擇在風(fēng)沙輕微地段，避開有風(fēng)沙活動(dòng)的隘口處，站房和住房應(yīng)朝向背風(fēng)方向。

5.2 線路方案比選

5.2.1 工程地質(zhì)條件比選

大保當(dāng)接軌方案與紅柳林接軌方案:控制2個(gè)方案的主要工程地質(zhì)問(wèn)題為煤礦采空區(qū)和風(fēng)沙。

采空區(qū)情況:紅柳林接軌方案通過(guò)的采空區(qū)長(zhǎng)度為18.1 km。大保當(dāng)接軌方案目前不存在采空區(qū)。

風(fēng)沙危害情況:大保當(dāng)接軌方案約有67 km走行于毛烏素沙地東緣，其中CK226+000～CK246+000段約20 km范圍分布有半固定沙地，對(duì)路基工程有一定影響;紅柳林接軌方案約有9 km線路通過(guò)毛烏素沙地邊緣，一般為固定沙地，風(fēng)沙危害較輕。

紅柳林接軌方案由于采空區(qū)成因類型復(fù)雜、范圍廣、規(guī)模大、準(zhǔn)確查明困難。采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費(fèi)用昂貴、處理效果不明顯，對(duì)鐵路今后的運(yùn)營(yíng)造成隱患。大保當(dāng)接軌方案風(fēng)沙問(wèn)題影響相對(duì)大一些，但避開了采空區(qū)。綜合考慮，大保當(dāng)接軌方案工程地質(zhì)條件優(yōu)于紅柳林接軌方案。

5.2.2 線路壓煤情況比選

大保當(dāng)接軌方案穿越規(guī)劃煤田，礦區(qū)尚未開采，對(duì)線路沒(méi)有影響，但需與礦主簽訂有關(guān)壓礦協(xié)議，預(yù)留保安煤柱。大保當(dāng)接軌方案與紅柳林接軌方案壓煤情況對(duì)比見(jiàn)表3。

從線路方案壓煤角度來(lái)看，大保當(dāng)接軌方案壓煤長(zhǎng)度和壓煤數(shù)量均小于紅柳林接軌方案，大保當(dāng)接軌方案優(yōu)勢(shì)明顯。

表3 兩方案線路壓煤情況

5.2.3 工程建設(shè)難度比選

紅柳林接軌方案沿線各種形式的煤礦星羅密布，神華集團(tuán)的煤礦主要集中于此。小煤礦改造區(qū)較多，多數(shù)為正在開采的煤窯;國(guó)營(yíng)及大型礦區(qū)的開采，分布于既有包神鐵路兩側(cè)一定范圍內(nèi)。沿線拆遷及與相關(guān)業(yè)主的補(bǔ)償問(wèn)題較為復(fù)雜，同時(shí)與既有包神鐵路多次交叉，與神華集團(tuán)的協(xié)調(diào)難度大。

紅柳林接軌方案所經(jīng)煤礦埋深均小于100 m，該采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費(fèi)用昂貴、處理效果不明顯，對(duì)鐵路今后的運(yùn)營(yíng)造成隱患。大保當(dāng)接軌方案既無(wú)采空區(qū)分布又與既有包神鐵路無(wú)干擾，線路經(jīng)過(guò)地區(qū)局部存在壓煤?jiǎn)栴}，但整體工程相對(duì)簡(jiǎn)易，建設(shè)難度較紅柳林接軌方案小。

5.2.4 工程投資比選

紅柳林接軌方案靜態(tài)投資估算48.04億元(其中采空區(qū)處理費(fèi)用估算約需10.86億元);大保當(dāng)接軌方案靜態(tài)投資估算36.81億元。大保當(dāng)接軌方案工程投資優(yōu)勢(shì)明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

紅柳林接軌方案穿越大規(guī)模采空區(qū)，線路壓煤142.2 km，采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費(fèi)用昂貴、處理效果不明顯，工程建設(shè)難度大，靜態(tài)投資規(guī)模較大。

大保當(dāng)接軌方案無(wú)采空區(qū)，風(fēng)沙危害主要為穿越20 km范圍的半固定沙地，對(duì)路基工程有一定的影響，工程處理難度較小，靜態(tài)投資規(guī)模較小。

通過(guò)工程地質(zhì)條件、線路壓煤情況、工程建設(shè)難度、工程投資等綜合比選，大保當(dāng)接軌方案相對(duì)優(yōu)于紅柳林接軌方案。因此推薦大保當(dāng)接軌方案。

［1］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.新建包西鐵路通道包頭至大保當(dāng)段可行性研究報(bào)告［R］.北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2006.

［2］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］李國(guó)和，李桂芳.采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(10):15-20.

［6］時(shí)環(huán)生.田德鐵路小龍煤礦采空區(qū)的地質(zhì)選線［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(9):14-16.

［7］朱穎.鐵路選線理念的創(chuàng)新與實(shí)踐［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(6):1-3.

［8］田光文.三萬(wàn)南鐵路煤礦采空區(qū)的線路方案研究［J］.高速鐵路技術(shù)，2012(5):61-66.

［9］王國(guó)聯(lián)，張道金.臨策鐵路天鵝湖至額濟(jì)納段線路及防沙工程方案研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6):21-24.

［10］汪耀華.吉查鐵路風(fēng)沙特點(diǎn)及防治措施［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(2):8-11.

［11］裴立軍.風(fēng)沙地區(qū)鐵路路基設(shè)計(jì)探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(7):8-10.

［12］王多青.鐵路風(fēng)沙防治工程投資初步分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6):21-24.