鐵路通過煤礦采空區的地質選線及穩定性評價

王　旭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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的地質選線及穩定性評價

王旭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

Geological Route Selection of Railway in Goal and its Stability Evaluation

WANG Xu

摘要總結小煤窯采空區的穩定性評價標準及處理措施，結合工程實例，提出大面積采空區的穩定性評價應根據地表位移實際監測結果進行判斷的建議。

關鍵詞地質選線采空區穩定性評價

在近年來的鐵路勘察設計中，西部地區的包西線、西平線、銀西線等都不同程度的遇到了采空問題。結合鐵路工程實例，對鐵路通過采空區的地質選線、評價標準進行探討。

1采空區的特征及分類

煤礦采空區為煤層(巷道)開采后在地面以下形成的空洞，根據不同的分類標準可分為不同的種類。一般情況下，將采空區分為小煤窯采空區及現代大面積采空區(見表1)。

表1　煤礦采空區的分類及變形特性

2采空區鐵路地質選線原則及一般流程

采空區地質選線的核心是解決采空區引起的地表塌陷、變形問題。

選線原則可總結為在經濟、合理的條件下，避免地表變形、塌陷對鐵路工程造成失穩或破壞。

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，選擇地表安全范圍內通過。②線路通過采空區，評價其穩定性，采取一定的工程處理措施，確保鐵路運營安全。

3采空區外選線

3.1　采空區安全距離的確定

繞避采空區，需首先確定其安全避讓距離。對大面積采空的安全距離確定，業內普遍采用移動盆地法確定，即根據采空區上覆地層的巖移角，確定移動盆地的邊界，再根據鐵路對沉降控制的要求，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———第四系覆蓋層移動角；

δ—基巖移動角。

根據公式確定移動盆地邊界，鐵路基礎邊界與移動盆地邊界應設置一定的安全維護帶。

圖1　大面積采空區安全距離計算

小煤窯采空區由于其自身的特點，不會形成移動盆地，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底邊裂縫、塌陷等特征調查測繪圈定。當地表尚未出現裂縫或裂縫尚未達到穩定階段時，可參考同類型小型采空區的裂縫角用類比法確定。

3.2　巖移參數的選取

煤礦采空區地表移動盆地邊界的巖角參數是移動盆地上某邊界點至采空區邊界的連線與水平線在煤柱某一側的夾角。

地表移動盆地可劃分為三個邊界。(1)地表變形邊界：即地表變形為零的邊界，該邊界對應的巖移角是邊界角，在具體實踐中通常以垂直變形小于10 mm外側邊界對應巖移角作為邊界角。(2)危險移動邊界：該邊界是地表變形對建筑物有無危害而劃分的邊界，所對應的巖移角為移動角，具體標準為地表傾斜值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：該邊界是移動盆地內出現的最外側裂縫邊界，所對應的巖移角是邊界角。

上述巖移參數均需要實際測量確定，在鐵路選線時可收集煤礦測量資料或經驗資料確定巖移參數。

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

4采空區內選線及工程設置

當采空區無法繞避時，需對采空區進行穩定性評價，提出合適的工程形式及處理措施。

4.1　小煤窯采空區的穩定性評價及處理措施

(1)小煤窯采空區穩定性評價標準

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

(2)

式中H0——頂板穩定的臨界深度/m；

2a——巷道寬度/m；

γ——上覆巖層重度/(kN/m2)；

φ——巖層內摩擦角/(°)；

R——建筑物基地壓力/(kN/m2)。

當R=0時，即采空區地表無附加壓力，H0為采空頂板巖層的自穩的臨界深度。

取巷道寬度2a=4 m，取常見巖石內摩擦角的經驗值φ=50°，取鐵路活載R=150 kN/m2。計算得H0=30 m。鐵一院根據陽涉鐵路、神延鐵路等采空區評價治理實踐經驗提出了評價標準：頂板基巖厚度小于30 m時，采空區地表可能產生陷落、垮塌，所有工程均需處理; 頂板基巖厚度30～60 m，采空區地表可能發生變形或產生輕微裂縫，對變形要求高的重點工程需處理; 頂板基巖厚度大于60 m時，采空區地表基本穩定，一般工程可不做處理，重點工程需進行穩定性分析，綜合考慮。這與公式(2)計算結果基本一致。

包西鐵路增建二線的實踐中，進一步驗證了該評價標準。包西鐵路常興煤礦，澄河礦區長寧河煤，屬小煤窯采空區，采空區埋深150 m，線路以路基通過，設計時未采取處理措施。2010年通車運營以來，未見病害。

(2)小煤窯采空的處理措施

小煤窯采空區一般埋深較淺，為采空區處理提供了可能。神延鐵路，包西鐵路增建二線對埋深小于60 m的小煤窯采空采取了鉆孔灌注黃土水泥漿處理。橋梁、路基工程施工前應先進行處理，再進行基礎施工；隧道工程應先進行洞內物探、有針對性的鉆探，確定隧道基底的采空區空間分布特征，再進行灌漿處理。上述鐵路通車后運營安全，證明了處理措施的有效性。

4.2　現代大面積采空的穩定性評價

現代大面積煤礦采空區開采面積大、回采率高、開采深度大，地表形成移動盆地。一般認為在移動盆地外的地表變形對工程影響極小，可忽略。在移動盆地內，地表變形是不可抗拒的，地表變形隨時間累積逐漸變小，最后變形終止?！惰F路工程地質手冊》[3]總結了移動盆地地表下沉時間與采掘深度的關系(如表2)。

表2　移動盆地下沉時間與采掘深度關系

實際上，移動盆地地表下沉與多種因素有關，并非符合表2所列的工況時，就能保證地表建筑物不受損害，應根據實測地表變形來判斷移動盆地是否穩定，當地表“變形—時間”曲線收斂時，地表變形可視為終止。

長武—安華煤運專用線通過亭南煤礦111、113工作面，采空區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　安華煤運專用線通過采空區示意圖

煤礦于2010年開始地表變形監測，選取線路附近M監測線的代表性點作累積沉降量—時間曲線(如圖3)。

圖3　亭南煤礦采空區沉降-時間曲線

各監測點自2010年至2012年間，地表沉降速度未見減小，且呈加速趨勢，地面沉降未見終止趨勢，最大累積沉降量已達到250 mm。該方案通過采空區不成立，需另行選線。因此不能按照表2所列的工況確定采空區地表下沉是否終止，而應按照地表位移實際監測情況評價地基的穩定性。

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

圖4　西平鐵路通過煤礦采空區示意

選取代表性監測點作累積沉降量—時間曲線(如圖5)。

圖5　下溝煤礦采空區沉降-時間曲線

圖5曲線隨時間推移趨于收斂，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及其影響范圍。線路的工程設置涉及橋梁、隧道及路基工程，對隧道采取了加固措施，橋梁采取簡支結構。2013年西平鐵路通車運營，至目前為止未見明顯病害。

通過安華煤運專用線選線及西平鐵路安全運營的實例可以得出，對大面積采空的穩定性評價應根據地表位移實際觀測成果確定，當沉降速度逐漸減小，沉降曲線趨于緩和時，普速鐵路可以通過采空區，反之則需繞避。高速鐵路需根據工后沉降要求，進行專門研究。

5結論

(1)煤礦采空區可分為小煤窯采空區和現代大面積采空區。

(2)大面積采空區的安全距離應根據移動盆地的巖移參數確定。普速鐵路采用巖層移動角，高速鐵路采用巖層邊界角。

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

(4)大面積采空區的穩定性評價需根據地表位移觀測結果確定。

參考文獻

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[10]孫占法.老采空區埋深對其上方建筑地基穩定性影響的數值模擬研究[D].太原：太原理工大學，2005

中圖分類號：P642

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0054-03

作者簡介：王旭(1985—)，男，2009年畢業于北京交通大學地質工程專業，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-27