開港鐵路專用線通過采空區段線路路基穩定性評價

崔克松 王傳煥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300152)

1 概況

新建開灤礦區至京唐港鐵路專用線(簡稱開港線)自范各莊礦內鐵路接軌引出,線路自CK0+000～CK1+410在范各莊礦內,其中CK0+713～CK0+643(CK0+922=CK0+500 ，長鏈422 m)352 m在該礦采煤波及線內的安全保留煤柱之上。擬建線路中心距12號煤采空區邊緣的距離,最近處里程CK0+850,距離為右側方向58.7 m，最遠距離處里程為CK0+713,距離為右側方向136.0 m(圖1)。線路通過位置距采空區邊緣如此之近,其穩定性、安全性是其線路通過方案是否成立的關鍵。

2 地層及巖性

2.1 第四系地層

范各莊礦區地表均被第四系沖積層所覆蓋,與下伏地層呈角度不整合接觸。厚54～503.0 m,變化較大,擬建開港鐵路專用線通過采空區段線路中心第四系地層厚度在88.8～90.0 m。

2.2 煤系地層

范各莊礦位于燕山南麓,煤系地層主要為石炭系、二迭系地層,開采方式為沿傾向長壁開采法。主要煤系地層如下：

二迭系下統唐家莊組：上部止于二迭系上統洼里組(A層頂板),下伏大苗莊組,厚約270 m,巖性以粗砂巖—中砂巖為主,細砂巖次之。下部粉砂巖和泥巖比較發育,間夾1～4層煤線。

圖1 開灤礦區至京唐港鐵路專用線范各莊煤礦采空區線路方案平面

二迭系下統大苗莊組：上部以5煤層頂板為界,下伏趙各莊組(整合接觸),厚約67 m,本組以深灰、灰黑色粉砂巖和泥巖為主,青灰色中砂巖次之,為主要含煤地層之一,含可采煤層四層,即5煤、7煤、8煤、9煤。6煤分布普遍但不可采。

石炭系上統趙各莊組：上部以11煤層頂板為界,下伏開平組,厚約86 m,為主要含煤地層之一,巖性以粗砂巖、中砂巖和粉砂巖為主,泥巖次之。含二至三層可采煤層,即11煤、12煤、12半煤。

3 采空區分布狀況

開灤(精煤)股份有限公司范各莊礦是我國自行設計、施工的一座大型現代化煤礦,始建于1958年,1964年正式投入生產,至今有40多年的開采歷史,現今該礦綜合生產能力達320萬噸規模,其采空區也早已形成規模。

3.1 采空區狀況

線路經過區域在該礦的0號與S1號地質斷面之間,線路經過區域各煤層采空區情況見表1。

表1 煤層采空區現狀情況

3.2 開采方式及頂板管理方法

該礦采煤工藝目前為高檔普采和綜合機械化采煤,方法為“走向長壁采煤法”。頂板管理方法為“全部垮落法控制頂板”。

3.3 大面積采空對鐵路建筑物的影響

地下煤層大面積采空后,煤層上部失去支撐,平衡條件被破壞,采空區上方巖體隨之將產生變形。地表變形開始時為凹地,隨著采空區的不斷擴大,凹地不斷發展而成凹陷盆地也稱為移動盆地。

由于線路一般不正好位于移動盆地的主斷面上,路基除了受垂直移動和變形外,還要承受縱向、橫向的移動和變形。

如：地表下沉將引起路基的沉降和線路坡度的改變。

地表的橫向水平變形將致使軌道彎曲,并引起軌道平面的傾斜或曲線超高的改變。

地表的上述移動和變形,對橋涵、隧道、站場、房屋和通訊信號設備等都有相應不同程度的影響。

3.4 地表變形現狀

開灤礦區至京唐港鐵路專用線設計起點,為范各莊礦既有鐵路裝煤站站中心。既有鐵路裝煤站,位置處在范各莊礦各煤層采空區波及線以外的工業廣場保護煤柱上,現運營良好。

勘測期間對煤礦周圍的調查表明,在采空區上部地表未發現有明顯的地面陷凹現象。

坐落在距擬建線路中心右側160～350 m,與范各莊礦區一墻之隔的“唐山市榮義煉焦制氣有限公司”,整個廠區建在范各莊礦7煤～12煤采空區之上,建筑物中除有高大的廠房、設備,還有高聳的煙囪、水塔等,建筑物現狀良好且廠房、設備都在正常運行當中。

3.5 收集采空區資料情況

線路經過地段距線路中心線最近的采空區是12號煤采空區,采空區外圍邊緣既為范各莊礦工業廣場保護煤柱線,其12號煤采空區波及線距采空區邊緣距離為136.0 m。該采空區為1970～1972年開采,回采率在80%以上,且采用沿傾向長壁式開采法開采,其開采年限近35年。根據開灤礦務局范各莊《礦井地質報告》,開采年限在30年以上的采空區其沉降基本穩定,其殘余沉降較小。

3.6 工程處理措施

為了避免和消除地下采空的影響,對位于礦山采空區的線路及其建筑物應做不同的工程處理。在已有鐵路建筑物的地下開采,或線路要通過正在開采的礦區時,常采取留保護礦(煤)柱保護措施,防止地表和建筑物變形。

4 計算分析及穩定性評價

4.1 設計鐵路路基保護煤柱的步驟

(1)確定圍護帶寬度

為了建筑物的安全,應將受護面積的邊界向外擴大一定距離。原來受護面積的邊界與擴大后的邊界間的地帶稱為圍護帶。鐵路建筑物的圍護帶一般不應小于15.0 m。

(2)確定煤柱下部邊界

一般情況下,煤層面既為煤柱的下部邊界；但當煤層面與按γ角作出的保護面的交線低于安全開采深度時,則應以安全深度處水平面與煤層面的交線作為煤柱的下部邊界。

(3)確定保護煤柱的邊界

保護煤柱的邊界是由受護面積邊界移動角所作的保護面與煤層面的交線決定的。

4.2 鐵路路基下留保護煤柱的設計

(1)數字高程投影法

鐵路路基下留保護煤柱的設計可以用數字高程投影法。已知條件：煤層的埋藏條件,表土的厚度,建筑物的位置、類型,移動角,煤層的等高線及鐵路與煤層走向線的交角。其保護煤柱的設計為：

①從鐵路路基向外量出一段距離,使之等于圍護帶的寬度,由此得到路基兩側的直線即為鐵路路基受護面積的邊界。

②由受護面積的邊界向外量出距離S,得表土層與基巖接觸面上的受護面積。S=h·cosφ,式中h為表土層厚度,φ為表土移動角。

③繪制鐵路兩側保護平面的等高線,其等高距應和煤層等高線的相同,為此根據上山移動角γ及下山移動角β及煤層等高線的等高距,求得相鄰二等高線間的水平距離。根據此距離,繪出具有傾角的保護平面的等高線。

④連接上山方面及下山方面的保護面與煤層層面的同名等高線的交點,即得鐵路兩側保護煤柱的上山面向邊界與下山方面邊界。

(2)垂直斷面法

鐵路路基下留保護煤柱的設計也可以用垂直斷面法。已知條件是：煤層傾角α,煤層埋深H,表土層及煤層厚度等。具體做法是：

①選擇適當數量的垂直于線路的斷面,這些斷面能反映出建筑物的特征。

②在平面圖上依次測量出各斷面處線路方向與煤層走向的交角θ,用此法確定煤田型別,確定其移動角β、γ、φ。

③由于各斷面的線路方向與煤層走向的交角不同,應根據θ=0的斷面的移動角,確定移動角β、γ、φ和各斷面的θ角,求出各斷面的β、γ值。

④在各斷面上分別從路基坡腳向外量出15 m作為圍護帶。

⑤在各斷面上由圍護帶內緣起在表土層中以φ角劃兩條保護線；在基巖中上山方向按β角作直線與煤層層面相交得一交點,下山方向按γ角作直線與煤層層面相交得一交點,此二點分別為保護柱的上、下山方向的邊界點。

⑥依次連接各相鄰斷面保護煤柱的邊界點,得保護煤柱的邊界線。

4.3 保護煤柱計算

(1)煤礦計算要素

依據范各莊煤礦的開采特點及專用線通過的形式,選用垂直斷面法確定專用線在該礦采煤波及線內上山方向的保護煤柱寬度。 根據《開灤礦務局范各莊礦·礦井地質報告》(1988～1998)資料記載,范各莊礦對保護井筒等重要建筑物時,采用下沉50 mm的移動點的平均角度。

上山移動角與走向基巖移動角：γ=δ=72°；

沖積層移動角：φ=35°；

下沉系數η=0.89～0.93。

(2)鐵路計算要素

鐵路圍護帶寬度為15.0 m；

單線路基寬度為6.7 m；

線路CK0+700～900路基填方高度1.3 m,邊坡率按1∶1。

(3)地層情況及計算

保護煤柱一般應在線路的橫剖面上,按垂直剖面法設計。本次選用CK0+850(斷鏈前里程)及CK0+900(斷鏈后)斷面,依次對12煤、11煤、9煤、8煤、7煤進行計算,其垂直剖面地層情況： CK0+850(斷鏈前里程)斷面以收集范各莊礦《中央地質剖面圖》回風井地質資料為準； CK0+900(斷鏈后)斷面以收集范各莊礦《南1地質剖面圖》地質資料為準。

第四系地層寬度：PS=cotφ×HS

基巖地層寬度：PJ=cotδ×HJ

保護煤柱寬寬度:P=15+1.3+6.7/2+PS+PJ

各煤層地層參數及計算結果見表2。

表2 煤層地層參數及計算

4.4 穩定性評價

根據以上計算結果(表2)與采空區距線路最近距離(表1)比較可知：7煤、8煤保護煤柱寬度為 170.03～172.36 m, 采空區邊緣距擬建鐵路線路中心最近距離216～218 m,7煤、8煤采空區對線路方案基本無影響,9煤保護煤柱寬度為 171.07～171.80 m, 9煤采空區距擬建鐵路線路中心最近距離160 m,采空區對線路方案影響不大。其11煤(CK0+850斷面)保護煤柱寬169.83 m,擬建線路中心距11號煤采空區邊緣的距離為右側方向95.3 m,小于保護煤柱寬170.38 m；其12煤(CK0+850斷面)保護煤柱寬170.38 m,擬建線路中心距12號煤采空區邊緣的距離為右側方向58.7 m,小于保護煤柱寬170.38 m,只有11煤、12煤采空區對線路有一定的影響。

根據以上計算結果,其12煤(CK0+900斷面)保護煤柱寬172 m,與本次勘測期間收集到的《開灤(精煤)股份有限公司范各莊礦業分公司采煤波及線分布圖》中的采煤波及線距離吻合,既采煤波及線與鐵路保護煤柱寬是一致的。

11煤、12煤的采掘深度在158.9～160.60 m。根據《鐵路工程地質手冊》第五章第二節,地下大面積采空后的地表變形之移動盆地下沉時間與采掘深度關系(表4-5-2)，采掘深度100～300 m，下沉終止時間為1～1.5年。而11煤、12煤的開采年代為1970年,距今(勘測時間)有35年,根據開灤煤礦經驗,開采年限在30年以上的采空區其沉降基本穩定,其殘余沉降較小,且采空區又經過1976年唐山大地震。因此判斷：11煤、12煤采空區其沉降基本趨于穩定,其較小的殘余沉降對線路影響不大。

5 處理措施及結論

通過以上計算、分析,7煤、8煤、9煤預留的保護煤柱符合鐵路線路保護原則,并且與既有鐵路保護煤柱一致,而既有鐵路保護煤柱事實已經證明有效。

通過以上計算、分析, 11煤、12煤采空區對線路有一定的影響。從對采空區上方的廠礦企業的調查資料證實,現階段：11煤、12煤采空區其沉降基本趨于穩定,其較小的殘余沉降對線路方案的影響不大,但線路通過該地段時應以路基形式通過,不應以大的結構形式通過該區。建議該段線路在施工期間及建成運營后,應對其進行沉降觀測工作。

[1]鐵道第一勘測設計院.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].北京：中國建筑出版社，2007

[3]開灤礦務局范各莊礦.開灤礦務局范各莊礦礦井地質報告[R].唐山：開灤礦務局，1999

[4]鐵道第二勘測設計院.鐵路工程不良地質勘察規程[S].中國鐵道出版社，2001