紅神鐵路邊不拉煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

劉世春

1 工程及地質(zhì)概況

1)工程概況。紅神鐵路專用線位于陜西省神木縣境內(nèi),為連接既有包西鐵路及新建包西鐵路通道的運(yùn)煤專用線,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為國鐵Ⅰ級。該鐵路DK28+700～DK29+600段以路堤形式通過邊不拉煤礦采空區(qū),路堤高度一般為2 m～10 m。2)地形地貌。工點(diǎn)位于考考烏素溝右岸,毛烏素沙地邊緣風(fēng)沙堆積區(qū),地形較平緩,地勢開闊。3)地層巖性。工點(diǎn)范圍內(nèi)自上而下地層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)砂,厚度約6 m～17 m,第四系上更新統(tǒng)沖積、湖積細(xì)砂,厚度約11 m～28 m,下伏侏羅系中統(tǒng)砂巖,產(chǎn)狀近水平;煤層就分布于砂巖層,厚度約6 m～7.5 m。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

2.1 煤礦采空區(qū)特征

邊不拉煤礦為集體村屬煤礦,井田面積2.99 km2,設(shè)計能力為3.0萬 t/年,2002年9月開采,兩主斜井分別在DK28+240左120 m,DK28+260左80 m,通風(fēng)井約在DK28+200左120 m處,其開采方式采用主副平硐,主巷道配以支巷道向兩側(cè)呈網(wǎng)格狀或“干”字形開采,采煤方式為炮采落煤,一般采寬7 m留7 m煤柱,采高約4.1 m～4.3 m,留頂煤,不放頂,采空率一般可達(dá) 50%以上。中央并列式通風(fēng),人工裝煤,防爆小四輪運(yùn)輸(見圖1)。

2.2 采空區(qū)勘探情況

在收集煤礦開采巷道圖和訪問的基礎(chǔ)上,對線路通過邊不拉煤礦礦區(qū)段落沿線路按左60 m,中、右60 m布置了3條物探探測線,物探結(jié)果顯示:DK28+700～DK29+600段存在采空區(qū)低阻(高密度電法)異常。并在DK28+752,DK28+815,DK28+855,DK29+280,DK29+540 5處布置鉆探對中線物探采空異常點(diǎn)進(jìn)行了驗證。

鉆探顯示,DK28+815,DK28+855,DK29+540位置鉆孔均鉆至采空巷道上,較好的驗證了物探測試判斷結(jié)果。

2.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

2.3.1 定性分析

《鐵路工程地質(zhì)手冊》中,鐵道第一勘測設(shè)計院根據(jù)陽涉鐵路小煤窯采空的具體特征:以斜井為主,主巷道呈網(wǎng)格狀,支巷道間距為25 m～30 m,支巷道斷面寬2 m～2.5 m,高 2.5 m～3.0 m,一般為房柱式開采,最后形成25 m～30 m、高6 m、寬6 m的采空腔,采完即封閉。給出了判斷小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn):Ⅰ為可能塌陷區(qū),頂板厚度小于30 m時,所有工程需處理;Ⅱ為可能變形區(qū),頂板厚度30 m～60 m,重點(diǎn)工程應(yīng)處理;Ⅲ為基本穩(wěn)定區(qū),頂板厚度大于60 m,一般工程不處理,重點(diǎn)工程結(jié)合工程的重要性綜合考慮。

本段工程為路堤工程,頂板換算厚度約為40 m～63 m(見表1),對比以上小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn),該采空區(qū)屬可能變形區(qū),重點(diǎn)工程應(yīng)處理,路堤工程屬一般工程,可不處理。

但小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)煤窯采空條件與邊不拉煤礦開采實(shí)際情況不符:邊不拉煤礦雖為村屬煤礦,采寬7 m留7 m煤柱,采高約4.1 m～4.3 m,留頂煤,不放頂,回采率約為 33%～35%,但采空率高達(dá)約50%,早已不屬于傳統(tǒng)意義上的小煤窯,但又不屬于大煤礦采空(回采率較低)。據(jù)此判定邊不拉煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性已失去意義。所以對其穩(wěn)定性需另進(jìn)行計算分析。

2.3.2 定量計算分析

1)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的力學(xué)計算。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》第389頁4-5-5公式:

其中,2a為巷道寬度,7 m;φ為巖層的內(nèi)摩擦角,煤層采空后,巷道圍巖為砂巖,內(nèi)摩擦角 φ=60°～ 73°,分別取 60°,73°(包西鐵路通道砂巖內(nèi)內(nèi)摩擦角采用值為60°)。對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性計算其臨界深度H0,見表1。

表1 巷道頂板臨界深度 H0計算表

由表1可以看出,當(dāng)內(nèi)摩擦角為73°(基巖通用采用值),60°(包西鐵路通道采用值)時,采空區(qū)頂板換算厚度基本小于H0,采空區(qū)上的所有建筑工程均需處理。

2)采空區(qū)地基穩(wěn)定性計算。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》第389頁4-5-7公式:

本段為路基工程,路肩高程基本與地面高程一致,當(dāng)不考慮列車荷載及軌道荷載,即R=0時,4-5-7公式變?yōu)?-5-4公式,同樣可以得到此時地基穩(wěn)定性評價的計算結(jié)果,見表1。

同理,H≤H0,故判定頂板及地基不穩(wěn)定,所有工程需處理(注:以上計算分析是基于頂板為基巖,第四系地層以3∶1換算成基巖厚度進(jìn)行計算的,未對頂板地層進(jìn)行分層計算)。

可以發(fā)現(xiàn)集成誤差由三部分組成，第一個為系統(tǒng)誤差；第二個為系統(tǒng)的平方偏差，是模型預(yù)測值與真實(shí)值的差值平方，由于預(yù)測（分類）系統(tǒng)中真實(shí)值無法獲取，該誤差是一個有用的理論概念；第三個是方差，體現(xiàn)了各基分類器預(yù)測值在均值周圍的波動程度。

3)采空區(qū)頂板垮落斷裂帶高度計算。煤層開采后,上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶,巖石被斷裂成塊狀,巖塊之間存在較大的裂隙。在斷裂帶,巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂隙,巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶,巖層基本呈整體下沉,破壞輕微。因此,垮落帶、斷裂帶的巖層雖然經(jīng)過多年的壓實(shí),仍不可避免地存在裂隙和離層,其抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯低于原始巖體的強(qiáng)度。如果建筑物荷載傳遞到這兩帶,勢必加大建筑物的不均勻沉降,甚至造成建筑物破壞。垮落斷裂帶發(fā)育高度主要與煤層采厚、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等因素有關(guān)。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》第285頁3-5-2公式:

其中,Hli為垮裂帶的高度;M為采厚(4.1 m～4.3 m);a,b,c均為與覆巖物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù),頂板巖性為侏羅系砂巖,采用《工程地質(zhì)手冊》第285頁表3-5-1數(shù)據(jù),分別為1.6,3.6,5.5。

計算:Hli=41.0 m～46.5 m/40.4 m～45.9 m。

而該采空區(qū)頂板巖層厚度為27.8 m～53.8 m,采空區(qū)小里程端頂板巖層厚度基本小于垮裂帶厚度Hli,換算頂板厚度H也基本小于或接近Hli(46.5 m),這表明地表路堤工程直接置于垮裂帶上部,路堤工程可能產(chǎn)生較大沉降變形。為控制路堤沉降,需對垮裂帶進(jìn)行處理。

4)采空腔(巷道)坍塌平衡法。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》第379頁公式:

表2 采空坍塌高度h計算表

顯然,采空腔(巷道)頂板換算高度僅 39.6 m～62.7 m,均小于采空腔坍塌高度h(70 m),地表會出現(xiàn)較大沉降。

5)采空腔(巷道)頂坍塌堵塞法。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》第380頁公式:

其中,h為坍塌土體高度;h0為洞穴原高度;K為巖體脹余系數(shù),取1.1～1.15。

經(jīng)計算h=27 m～43 m。

故據(jù)此判斷,本段采空區(qū)頂板坍塌會嚴(yán)重影響地面沉降變形。

3 結(jié)語

2007年8月29日3:00左右,邊不拉煤礦在本段線路左側(cè)約1 km處,發(fā)生大面積坍塌,引起3級地震,坍塌面積約300畝～500畝,地面最大裂縫錯斷高差約30 cm,裂縫水平間距約 2 cm～5 cm,2007年10月17日再次察看時,地面裂縫范圍已向外延伸約50 m。經(jīng)訪問該礦礦長及技術(shù)人員,坍塌區(qū)開采情況基本與線路通過位置相同,僅回采時放炮落頂煤,空腔高度增加至6 m～7 m,最長開采時間不足5年。較好的證明以上定量計算的可行性,特別是規(guī)范中的計算是偏于安全,更符合現(xiàn)實(shí)情況。綜上分析:邊不拉煤礦采空區(qū)頂板及地基處于極不穩(wěn)定狀態(tài)或塌陷臨界塌陷狀態(tài)。該采空區(qū)由于埋深較大(70 m～88 m),采空率達(dá)50%,采用回填處理危險性大,灌漿處理費(fèi)用高,最終該段改線以橋沿考考烏素溝河谷而上以繞避采空區(qū)。

[1]鐵道部第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[2]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[3]TB 10012-2007,鐵路工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[4]GB 50123-99,土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]TB 10013-2004,鐵路工程物理勘探規(guī)程[S].

[6]GB 50021-2001,沿途工程勘察規(guī)范及規(guī)程[S].

[7]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.

[8]張俊英.老采空區(qū)新建住宅樓裂縫原因及防治措施[J].礦山測量,1999(2):88-89.