紅神鐵路邊不拉煤礦采空區穩定性評價

劉世春

1 工程及地質概況

1)工程概況。紅神鐵路專用線位于陜西省神木縣境內,為連接既有包西鐵路及新建包西鐵路通道的運煤專用線,設計標準為國鐵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,路堤高度一般為2 m～10 m。2)地形地貌。工點位于考考烏素溝右岸,毛烏素沙地邊緣風沙堆積區,地形較平緩,地勢開闊。3)地層巖性。工點范圍內自上而下地層為第四系全新統風積細砂,厚度約6 m～17 m,第四系上更新統沖積、湖積細砂,厚度約11 m～28 m,下伏侏羅系中統砂巖,產狀近水平;煤層就分布于砂巖層,厚度約6 m～7.5 m。

2 采空區穩定性分析

2.1 煤礦采空區特征

邊不拉煤礦為集體村屬煤礦,井田面積2.99 km2,設計能力為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呈網格狀或“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 50%以上。中央并列式通風,人工裝煤,防爆小四輪運輸(見圖1)。

2.2 采空區勘探情況

在收集煤礦開采巷道圖和訪問的基礎上,對線路通過邊不拉煤礦礦區段落沿線路按左60 m,中、右60 m布置了3條物探探測線,物探結果顯示:DK28+700～DK29+600段存在采空區低阻(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進行了驗證。

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果。

2.3 采空區穩定性分析

2.3.1 定性分析

《鐵路工程地質手冊》中,鐵道第一勘測設計院根據陽涉鐵路小煤窯采空的具體特征:以斜井為主,主巷道呈網格狀,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穩定性的判斷標準:Ⅰ為可能塌陷區,頂板厚度小于30 m時,所有工程需處理;Ⅱ為可能變形區,頂板厚度30 m～60 m,重點工程應處理;Ⅲ為基本穩定區,頂板厚度大于60 m,一般工程不處理,重點工程結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穩定性判斷標準,該采空區屬可能變形區,重點工程應處理,路堤工程屬一般工程,可不處理。

但小煤窯采空區穩定性判斷標準煤窯采空條件與邊不拉煤礦開采實際情況不符: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%,但采空率高達約50%,早已不屬于傳統意義上的小煤窯,但又不屬于大煤礦采空(回采率較低)。據此判定邊不拉煤礦采空區的穩定性已失去意義。所以對其穩定性需另進行計算分析。

2.3.2 定量計算分析

1)采空區頂板穩定性的力學計算。根據《鐵路工程地質手冊》第389頁4-5-5公式:

其中,2a為巷道寬度,7 m;φ為巖層的內摩擦角,煤層采空后,巷道圍巖為砂巖,內摩擦角 φ=60°～ 73°,分別取 60°,73°(包西鐵路通道砂巖內內摩擦角采用值為60°)。對采空區頂板穩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,當內摩擦角為73°(基巖通用采用值),60°(包西鐵路通道采用值)時,采空區頂板換算厚度基本小于H0,采空區上的所有建筑工程均需處理。

2)采空區地基穩定性計算。根據《鐵路工程地質手冊》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,當不考慮列車荷載及軌道荷載,即R=0時,4-5-7公式變為4-5-4公式,同樣可以得到此時地基穩定性評價的計算結果,見表1。

同理,H≤H0,故判定頂板及地基不穩定,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換算成基巖厚度進行計算的,未對頂板地層進行分層計算)。

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

3)采空區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,巖層產生斷裂、離層、裂隙,巖體內部結構遭到破壞。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過多年的壓實,仍不可避免地存在裂隙和離層,其抗壓、抗拉、抗剪強度明顯低于原始巖體的強度。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。

根據《工程地質手冊》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性質有關的系數,頂板巖性為侏羅系砂巖,采用《工程地質手冊》第285頁表3-5-1數據,分別為1.6,3.6,5.5。

計算:Hli=41.0 m～46.5 m/40.4 m～45.9 m。

而該采空區頂板巖層厚度為27.8 m～53.8 m,采空區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,路堤工程可能產生較大沉降變形。為控制路堤沉降,需對垮裂帶進行處理。

4)采空腔(巷道)坍塌平衡法。根據《鐵路工程地質手冊》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),地表會出現較大沉降。

5)采空腔(巷道)頂坍塌堵塞法。根據《鐵路工程地質手冊》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,取1.1～1.15。

經計算h=27 m～43 m。

故據此判斷,本段采空區頂板坍塌會嚴重影響地面沉降變形。

3 結語

2007年8月29日3:00左右,邊不拉煤礦在本段線路左側約1 km處,發生大面積坍塌,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。經訪問該礦礦長及技術人員,坍塌區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,特別是規范中的計算是偏于安全,更符合現實情況。綜上分析:邊不拉煤礦采空區頂板及地基處于極不穩定狀態或塌陷臨界塌陷狀態。該采空區由于埋深較大(70 m～88 m),采空率達50%,采用回填處理危險性大,灌漿處理費用高,最終該段改線以橋沿考考烏素溝河谷而上以繞避采空區。

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

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

[3]TB 10012-2007,鐵路工程地質勘查規范[S].

[4]GB 50123-99,土工試驗方法標準[S].

[5]TB 10013-2004,鐵路工程物理勘探規程[S].

[6]GB 50021-2001,沿途工程勘察規范及規程[S].

[7]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2008.

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