阜淮線K69～K70段采空區線路改造方案穩定性評價

王其合 祝建農

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200333)

阜淮鐵路是安徽省淮北平原南部的煤運干線。鐵路呈西北—東南走向,北起阜陽樞紐袁寨站(不含),途經潁上、鳳臺,南至淮南站(含),全長114 km。為增強華東地區煤炭運輸通道能力,2007年鐵道部決定對阜淮線實施電氣化改造。在可研中,研究了提速160 km/h改造方案和按120 km/h對部分緩和曲線長度不滿足技術要求的地段進行改造設計的兩個方案。

阜淮線K69～K70段線路左側為淮南新集一礦采空區,310 m以外發育大面積的塌陷湖,既有線以路堤形式通過采空變形區外側邊緣。在提速改造方案研究中擬將該段線路曲線半徑由1000 m改為1600 m,線路需向左側(采空變形區側)最大偏移43.9 m。采空區地表變形區的合理劃分與穩定性評價,將是確定該段線路改造方案的主要依據。

1 測區工程地質條件簡述

工點處為淮河沖積平原之二級階地,地勢較平坦、開闊,地面高程25 m左右。既有阜淮線以路堤形式通過,路基高約2 m。

測區內地層自上往下依次為：第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系及下元古界,其中二疊系的山西組和下、上石盒子組為主要含煤地層。第四系由細砂、中砂以及粉砂和粗砂與黏土或粉質黏土相間組成,線路附近最大厚度162 m；第三系和二疊系以砂巖、泥巖和礫巖為主,石炭系—寒武系以灰巖、白云巖為主,底伏元古界片麻巖類。

新集一礦位于淮南復向斜之謝橋向斜南翼,穎鳳阜鳳推覆構造的中段。構造線方向總體呈北西西向展布。

地下水主要為基巖裂隙水。

2 采空區地表變形現狀調查與分析

2.1 煤礦概況

新集一礦屬淮南新區,1993年7月投產,礦井設計能力3.0 Mt/a。井田西距鳳臺縣城約17 km,東與新集二礦相接,東西走向長6.5 km,南北平均傾斜寬約4 km,井田面積約26 km2。

井田地層總體呈近東西走向,傾向北,地層傾角5°～25°。礦井開拓方式為立-石門-集中大巷布置方式,分三個開采平面,高程分別為-450 m、-600 m和-800 m。目前已開采到6-1煤層(見圖1)。采用綜放開采,全陷法管理頂板。

圖1 地表變形區邊界計算(單位：m)

2.2 采空區分布情況

煤礦沿著既有線的保護邊界開始開采,線路左側距線路最近處各煤層的開采情況見表1。

表1 各煤層開采情況一覽

2.3 采空區地表變形現狀調查

據現場地質調繪,采空區塌陷面積較大,塌陷形成了大面積的水域,鐵路附近水域邊界基本沿著13-1煤層開采邊界形成,距既有線左側約310 m。鐵路左側100 m內建筑尚未發現變形和破壞,目前既有鐵路運營良好。

2.4 采空區地表移動及變形預測

在采空區,預測地表移動與變形可以為采空區鐵路勘測設計提供依據。淮南礦區通過建立地表沉陷觀測站,獲得了長壁全陷法開采條件下的地表移動延續時間規律[1]。經綜合分析,地表移動延續總時間T總(單位：d)與開采深度H(單位：m)之間的關系為

T總=203+0.7H

設停產延續時間為T停,當T停>T總時,則可認為地表采空區地表沉陷變形已趨于穩定。

11-2煤層最大開采深度363 m,計算T總為458 d,按最近停采時間為2005年11月,停采至2007年5月(方案研究時間),按18個月計算,T停為 540 d；如以最深開采工作面的6-1煤層為例,其最大開采深度為478 m,計算T總為538 d,其最近停產時間為2003年5月,停采至2007年5月,T停已超過1 460 d。因此，離線路最近的開采工作面采空地表預測沉陷變形已趨于穩定。

3 采空區地表變形區劃分及穩定性評價

3.1 采空區地表變形區分類

《鐵路工程地質手冊》[3]將采空區地表變形劃分為均勻下沉區、危險變形區和輕微變形區3個區域,各變形區一般特征見表2,并規定在均勻下沉區和輕微下沉區可進行一般性對沉降不敏感建筑的建設,危險變形區應避開。

3.2 采空區地下隱伏邊界和地表變形區的計算與分析

根據《安徽省淮南礦區采煤沉陷情況報告》,淮南礦區地表移動角量參數綜合分析成果如表3。

表2 采空區地表變形區分類及特征

表3 淮南礦區地表移動角量參數綜合分析成果

其中δ為走向角、γ為上山角、β為下山角、φ為第四紀移動角、α為煤層傾角。本區屬老區，據剖面資料結合表3,第四紀覆蓋層厚度取162 m,以開采最深的6-1煤層計算,采空區底板深度505 m,巖層上山移動角γ取66°,第四紀覆蓋層的移動角φ取45°,γ0=54°, 可以算出在煤層傾向上山方向上,既有阜淮鐵路左側94.3 m范圍內為輕微變形區,以外為危險變形區,見圖2。

圖2 塌陷區移動盆地地表變形分區示意

3.3 采空區對線路方案的穩定性影響評價

通過上述計算與分析,既有線左側94.3 m范圍內屬輕微變形區,而改建線路方案位于既有線左側43.9 m,線路位于輕微變形區內,預測地表的變形值較小,線路以一般路基工程通過,方案可行。

4 結論與建議

(1)在采空區開展工程地質選線時,應高度重視收集礦區各類資料。采空區移動盆地邊界及沉陷變形預測計算參數應以礦區地表沉陷觀測站資料為依據,進行綜合研究和分析,在此基礎上詳細劃分地表變形區的范圍。

(2)既有線位于采空區移動盆地沉陷變形區邊緣外側,經過多年的運營監測,路基穩定。

(3)既有線左側94.3 m范圍內屬輕微變形區。本次研究的改建線路方案位于輕微變形區內,預測地表的變形值較小,且沉降以趨于穩定,線路以一般路基工程通過,方案可行。在工程設計中建議采用路基加寬、預留沉降量、設置土工格柵等措施,確保線路安全可靠；運營中應加強沉降與變形的觀測。

(4)本文采用綜合分析和理論公式計算,簡捷有效地得出結論,為改造方案比選提供了依據,可供在類似地區工作參考。

[1]遼寧工程技術大學.安徽省淮南礦區采煤沉陷情況報告[R].沈陽： 遼寧工程技術大學,2002

[2]國投新集能源股份有限公司.新集一礦補充地質勘察報告[R].淮南：國投新集能源股份有限公司,2003

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

[4]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[5]TB10027—2001 鐵路不良地質勘察規程[S]

[6]TB 10035—2006 鐵路特殊路基設計規范[S]