新紅線采空區對鐵路選線的影響

黃新文 易菊香

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

內蒙古自治區礦區分布廣泛，大面積煤田采空區是礦區普遍存在的地質問題，給當地的各種工程帶來巨大的不穩定因素。新紅線東起準朔鐵路的紅進塔車站，西至包西鐵路的新街車站，中部為內蒙古東勝礦區(見圖1)，如何穿越礦區成為本次勘測的重點之一。

1 地質概況

1.1 地形地貌

束會川以東為低山丘陵區，以西為丘陵區和哈拉沙地，靠近新街側為毛烏素沙漠邊緣區，奎洞溝附近以及奎洞溝北側為丘陵區。地勢總體呈東北高，西南低。

1.2 地層巖性

沿線出露地層較為簡單，主要有第四系全新統風積粉細砂;湖積粉土、粉質黏土;河流相沖積細砂、圓礫土;上第三系上新統砂巖、泥巖;白堊系下統泥巖，砂、礫巖;侏羅系中下統砂巖夾泥巖、煤層和烘烤巖(火燒巖)。

1.3 地質構造

線路所經地區屬新華夏構造體系之鄂爾多斯構造盆地，該盆地主要形成于中生代，印支期當地開始下陷沉降，先后接受了巨厚的中生代沉積物。白堊紀晚期，由于燕山運動第二幕的影響，鄂爾多斯盆地開始上升，其上缺失了白堊系上統地層。第四紀以來，受喜馬拉雅運動的影響，區域內繼續大面積緩慢上升，形成了現在的鄂爾多斯高原。

鄂爾多斯盆地受大的構造環境影響較小，經歷的構造運動多以升降式的振蕩運動為主，區內巖層的褶皺、斷裂等地質構造現象均發育，地層產狀近于水平。線路經過范圍無大的構造及斷裂。

1.4 煤礦現狀與采空區情況

本區分布地層為侏羅系含煤地層，煤礦南起紅進塔，北至準格爾召，西至呼和烏蘇溝，礦區和正在開采的礦井密布。本區主要可采煤層為1～6號煤 層，煤層分布東淺西深，束會川以東主要開采煤層為5號、6號;包府公路附近主要開采煤層為4號;烏蘭木倫河附近主要開采煤層為1號、2號、3號;阿大公路附近煤層埋藏較深。

1.5 采空區水文地質情況

礦區內地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水埋深10～20 m，受大氣降水的補給;第三系泥巖為連續性良好的隔水層，阻止了孔隙潛水下滲補給，基巖裂隙水主要賦存于侏羅系的泥質砂巖中，埋深約40～60 m。泥巖具弱膨脹性，在地下煤層大面積開挖后，基巖裂隙水會沿采空區四周宣泄，浸泡泥巖，使其軟化、崩解，從而使煤層頂部產生冒落、撕裂、彎曲，使地面下沉或塌陷。

2 線路方案

該段線路主要有3個方案，CLK鄂爾多斯方案、ICLK北繞布爾臺井田新街接軌方案、ⅡCLK考考賴溝短隧高橋方案，如圖1所示。

圖1 線路走向示意

2.1 CLK貫通方案

該方案東起紅進塔，沿束會川北上，至奎洞溝折向西，接東烏延長線海勒斯豪站，跨越東西烏蘭木倫河后接至鄂爾多斯車站。

2.2 ICLK比較方案

該方案自海勒斯豪站之前與CLK方案相同，海勒斯豪站之后跨過東西烏蘭木倫河，沿布爾臺井田邊界走行接入新街車站。

2.3 ⅡCLK比較方案

該方案自紅進塔出站后順束會川北上約15 km折向西，經過考考賴溝、烏蘭木倫河，沿呼和烏蘇溝走行后貼近包茂高速接入新街車站

3 方案比選

三個方案均無法完全避開礦區，下面對各個方案的優劣進行分析。

(1)CLK鄂爾多斯方案自紅進塔站出站后一直走行于溝谷之中，后跨過包府公路，接入海勒斯壕站，最終接入包西鐵路的鄂爾多斯車站，利用包西鐵路接至新街站，穿越礦區最少，新建線路長度最短，而且穿越礦區部分位于奎洞溝溝谷，壓煤約28 km，基本避免了采空區。但該方案在轉龍灣處經過流動沙丘和半固定沙丘合計約7 km，工程地質條件較差。

(2)ICLK北繞布爾臺井田新街接軌方案在海勒斯壕站之前與CLK相同，跨過阿大阿新公路后走行于布爾臺井田邊界與鄂爾多斯機場之間的約200 m通道內。該段煤層埋藏較深，故存在壓布爾臺井田的問題。該方案通過流動沙丘半固定沙丘合計約5 km，壓煤約45 km，基本避免了采空區。至新街線路運營長度與鄂爾多斯方案相比優勢不大，但新建線長度明顯不如鄂爾多斯接軌方案。

(3)ⅡCLK考考賴溝短隧高橋方案線路短直，至新街距離比其他兩方案優勢明顯，但不可避免的要穿越礦區與采空區，該方案壓既有礦區約47 km，穿采空區約2.58 km，在以隧道形式穿越某煤礦時，線路無法避免與采空區相交(如圖2)，且該煤礦煤層所在深度局部為富水性區域。此外，賴溝附近現場調查時發現小煤礦超采現象嚴重，地面塌陷區域已超出礦井邊界，地表10余個塌陷坑，用高密度電法探測得出該段采空區分布較多且無法避免，該段工程地質條件較差。

圖2 ⅡCLK穿越某煤礦剖面

4 某煤礦采空區穩定性評價

4.1 地表變形預測

該段采空區長度2.1 km，深度平均約40 m。其中采空區上覆頂板厚度H=40～60 m(上覆第四系地層10～20 m)。

按照《鐵路工程地質手冊》，首次充分采動的按以下公式計算最大下沉量

式中 q0——下沉系數，按照傾斜長壁式水砂充填方法開采，查表取0.10;

m——礦層的法線厚度，為4 m;

α——礦層傾角，α =3°;

把以上數據帶入式(1)，經計算:η0=0.40。

最大傾斜值

式中 r——地面影響區的半徑。

式中 β——移動角;

經計算，i0=16‰。

最大曲率:k0=1.52η0/r2=19 mm/m

最大水平移動值:ξ0=bη0=0.12 m。

b——水平移動系數，根據煤田地質資料，b=0.3。

4.2 穩定性評價

調查未發現地表塌陷、裂縫等現象。通過以上計算，采空區的最大下沉值約為0.4 m，最大水平移動值約為0.12 m，采空區還未達到穩定，地面下沉還會繼續發展。隨著開采的進一步推進，地面下沉的速度也會隨之加快，處于移動和變形活躍階段。同時，地表下沉將對穿過采空區的隧道造成影響，給鐵路運營帶來無窮的后患。該采空區對工程影響較大，治理難度較大，費用較高，鐵路不宜從該采空區通過，建議繞避。

5 結語和建議

新紅線通過煤礦及其采空區地段的主要原則首先是繞避。實在無法繞避時，在查清采空區范圍、規模的基礎上采取適當的處理措施予以通過，并使線路通過不良地質地段的長度盡量縮短。根據現有煤礦開采情況，加之諸多小煤礦超采的不可預見性。從工程地質角度出發，鄂爾多斯接軌方案穿越開采煤礦少，壓覆礦產資源少，風沙長度短，工程地質條件相對較好。

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