太興線DK88+800～DK89+900采空區對擬建鐵路影響

李江輝

1 工程概況

新建鐵路太原—興縣線全長167.2 km,為國鐵Ⅰ級客貨共線鐵路。采空區勘查地段為DK88+800～DK89+900段,在該段的主要工程為下靜游隧道、下靜游大橋、韓家溝大橋及路基填挖段。

2 采空區分布特征

根據環境地質調查和搜集訪問資料、地球物理勘測及鉆探綜合確定采空區主要分布在DK88+800～DK89+900段,本次將擬建鐵路線附近采空區分為3個區：A區,B區和C區,其特征如下：

1)A區。位于下靜游2號隧道DK88+800～DK89+160左側70 m,煤層底板標高約1 130 m～1 160 m,采深一般70 m～80 m,采厚約2 m,回采率小于30%。其東部邊界位于擬建鐵路線DK88+800～DK89+160左側80 m～100 m,其西部邊界距擬建鐵路線較遠。采空區埋深一般70 m～80 m,形狀為不規則橢圓形,南北長約300 m,東西寬約120 m,面積約3.6×104m2。

2)B區。位于DK89+300～DK89+500右側,開采標高位于1 080 m～1 170 m,開采深度30 m～150 m,采厚約2 m,巷道式開采,回采率小于20%,巷道高寬1.5 m,不規則。其西邊界位于擬建鐵路線DK89+300～DK89+500右側4 m～30 m,東邊界位于擬建鐵路線DK89+300～DK89+500右側20 m～100 m。采空區形狀為一卵圓形,北寬南窄,面積約1.12×104m2。

3)C區。分布于B區東側外圍。主要由三神窯煤窯開采石炭系太原組9號煤形成,開采標高1 080 m～1 100 m,采深一般70 m～80 m。C采空區西部邊界由F2斷層控制,位于擬建鐵路線以東160 m～190 m。該采空區形狀呈不規則長條形,面積約5.0×104m2。

3 采空區地表變形特征

本次工程在DK87+300～DK89+600兩側范圍內共發現5處地面塌陷和3組地裂縫。其中T2主要由黃土遭水浸蝕形成,其余由采煤誘發。地面塌陷主要由塌陷坑組成,塌陷坑直徑1 m～8 m,深0.5 m～8 m,地層為 Q3粉土,疏松多孔隙。地裂縫地面表現為一系列的地面開裂現象,局部以群縫的特征出現。

4 采空區覆巖穩定性影響因素分析

控制和影響采空區覆巖穩定性的因素主要有采煤和頂板管理方法、覆巖性質、煤層賦存條件、地形地質條件等。

4.1 采煤和頂板管理方法

線路附近小煤礦采煤方法為巷柱式或房柱式,均為非正規采煤方法,一般主巷道寬1.5 m～2.5 m,支巷寬 1.5 m～2 m,柱寬5 m～10 m,回采率低于30%。采用自然垮落法管理頂板,由于開采作業不規范,回采率低,地表移動變形規律差,在地表易出現塌陷坑、地裂縫等非連續性地表變形。

據本次勘察鉆孔揭露,煤層覆巖以灰巖、砂巖、泥巖和土層為主,采空區覆巖統計結果見表1。

表1 采空區覆巖統計表

表1表明A區軟巖和極軟巖所占百分比達90%以上,其地表下沉和移動變形速度快,冒落巖層間空洞率小,區內分布較多的塌陷和裂縫說明其地表變形相對B區和C區要強烈和充分;B區軟巖和極軟巖占56%～79.6%,中硬巖占23%,其移動延續期比A區要長,由于其開采時間最早(古窯),回采率低,其地表移動一方面不明顯,另一方面由于時間久遠,地表變形可能被后期改造;C區軟巖和極軟巖占 60%～70%,中硬占15%～20%,堅硬占5%～10%,相對比較中性,采空區內零星分布有地面塌陷,說明其變形并不充分,隨著時間的推移可能再次出現塌陷。

4.2 煤層賦存條件

根據勘探鉆孔計算開采深厚比見表2。從表2可看出,線路附近采空區開采深度比大多小于40,地表應產生強烈的變形,實地調查,A區地表變形相對強烈,C區次之,B區不明顯,表明采空區未完全冒落,尚遺留有空洞,存在塌陷隱患。

表2 開采煤層深厚比統計表

4.3 地形地質條件

勘查區位于黃土梁峁區溝梁相間,地形起伏較大。黃土具大孔隙和垂直節理,自然條件下易產生黃土陷穴、沖溝。采煤情況下,覆巖冒落,誘發黃土塌陷,另一方面在采煤爆破震動,覆蓋冒落的作用下,使土體產生松動,加劇黃土塌陷、開裂,地形地質條件有利的情況下還可產生采動滑移。勘查區采空區分布地段地表穩定性差。

5 采空區覆巖穩定性評價

根據搜集資料和勘查成果,本次工作采用開采條件判別法進行采空區覆巖穩定性評價。

鐵路沿線分布的采空區均為小窯采空區和古老采空區,因此其穩定性采用頂板基巖厚度評價(見表3)。

表3 穩定性分區評價標準

勘查區鉆孔勘探采空區(煤層)頂板基巖厚度統計見表4。

表4 頂板基巖厚度評價法采空區穩定性評價

表4表明采空區A區基巖頂板厚度41 m,屬可能變形區,其影響范圍內進行重點工程建設應予處理;B區頂板基巖厚度在42.7 m～55.9 m之間,屬可能變形區,其影響范圍內進行重點工程建設應予處理;C區頂板基巖厚度位于41 m～61.0 m之間,大部分可能變形,局部基本穩定,綜合確定該區為可能變形區,其影響范圍內進行重點工程建設應予處理。

6 采空區地表移動變形范圍

本采空區松散層移動角按西山礦區：h=10 m,φ=45°;h=10 m～ 20 m,φ=50°;h=20 m～ 40 m,φ=55°;h=40 m～ 60 m,φ=60°;h≥60 m,φ=65°,基巖移動角 δ=γ=72°,β =72°-0.6α,松散層厚度和地表至煤層的垂直深度根據鉆探資料確定。

1)A采空區。采用作圖法按上述參數確定地表移動變形寬度DK88+908處為40 m,DK89+010處為44 m,DK89+080處為34 m,A采空區(東側)地表移動變形寬度34 m～44 m。2)B采空區。采用作圖法按上述參數確定地表移動變形寬度DK89+424處左側為84 m,右側為40 m;DK89+370處左側為104 m,右側為42 m;DK89+336處左側為80 m,右側為30 m。B采空區地表移動變形寬度左側(靠近鐵路線一側)為84 m～140 m。3)C采空區。C采空區西邊界距離鐵路受護邊界約100 m,根據鉆探資料,C采空區西邊界一帶松散層厚度54 m,松散層移動角 φ=60°,地表至煤層的垂直厚度為80 m,基巖移動角為72°,計算地表移動變形寬度為40 m。C采空區靠近鐵路線一側地表移動變形寬度為40 m。

7 鐵路保護煤柱的計算

7.1 參數選取

設計保護煤柱時松散層選用西山礦區移動角φ值：h=20 m～40 m,φ=55°;h=40 m ～ 60 m,φ=60°。基巖移動角由于西山礦區沒有巖層大于5°的實測值,選取陽泉礦區實測值：δ=γ=72°,β=72°-0.5α=51°。

7.2 受護面積的圈定

按第59條規定,路堤以兩側路堤坡腳外1 m為界,路塹以兩側塹頂邊緣為界,作為擬建鐵路受護邊界。然后沿受護邊界按《規程》表6的規定外延20 m作為擬建鐵路的圍護帶邊界。

7.3 用垂直剖面法計算鐵路保護煤柱

1)如圖1所示,受護邊界為一長條不規則形,在外側加寬20 m為圍護帶邊界,剖面Ⅰ—Ⅰ′,Ⅱ—Ⅱ′與圍護帶邊界相交于a,b,c,d四點。2)根據分析得a,b,c,d各點的圍護帶邊界與煤層走向的夾角(θ)、地面標高、煤層底板標高、松散層厚度、煤層埋深和基巖厚度(見表5)。3)根據松散層移動角和所求的基巖移動角計算出(相當于剖面投影)a—a′,b—b′,c—c′,d—d′分別為 37.5 m,46.64 m,27.64 m,38.52 m。 4)根據 a′,b′,c′,d′各點圈定鐵路線路保護煤柱范圍見圖1。

表5 鐵路線路各剖面點特征值

8 采空區對擬建鐵路的影響分析

A采空區靠近鐵路一側地表移動變形寬度為38 m～40 m,擬建鐵路圍護帶邊界位于地表移動變形邊界以外,因此A采空區對擬建鐵路無影響。B采空區靠近鐵路一側地表移動變形寬度為74 m～140 m,擬建鐵路DK89+320～DK89+550段位于 B采空區地表移動變形范圍內,因此B采空區對擬建鐵路的安全運營構成威脅,必須進行治理。C采空區靠近鐵路一側地表移動變形寬度為40 m,擬建鐵路圍護帶邊界位于地表移動變形邊界60 m以外,因此C采空區對擬建鐵路無影響。

[1]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].

[2]TB 10027-2001,鐵路工程不良地質勘察規程[S].

[3]朱 勇.煤層采空區隧道的勘察設計[J].山西建筑,2008,34(18)：333-335.