鐵路大型多層復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王清秋

(中鐵濟(jì)南工程技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南　250022)

新建東平鐵路為Ⅱ級(jí)鐵路，線路DK1+360～DK3+522段經(jīng)東都鎮(zhèn)沈村礦區(qū)，沿線跨越采空區(qū)2.16 km，鐵路下有4～5層富水煤層采空區(qū)分布。該段采空區(qū)開采歷史悠久，具有規(guī)模大、層數(shù)多、開采無(wú)規(guī)律、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件復(fù)雜、開采資料不完善等特點(diǎn)。受復(fù)采影響，地面持續(xù)下沉，短期內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了鐵路的建設(shè)與安全運(yùn)營(yíng)。

1　采空區(qū)概況

該礦區(qū)于清朝末年即對(duì)煤層露頭附近淺層煤進(jìn)行開采，20世紀(jì)50～70年代主要開采高程+75 m以上汶南F2斷層(DK2+600)以東的11、13、15煤層，并水砂充填；20世紀(jì)80年代至今，多個(gè)地方煤礦先后在該礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行大面積開采，總計(jì)具有一百多年的開采歷史，開采情況比較復(fù)雜。該礦區(qū)范圍內(nèi)自上而下主要可采煤層為9、11、13、15、17煤層，均以18°±北東向傾斜，各層煤統(tǒng)計(jì)如表1。

表1　鐵路下各煤層采空情況統(tǒng)計(jì)

2　采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)

為準(zhǔn)確計(jì)算采空區(qū)變形情況，設(shè)計(jì)中采用鉆探、物探、地質(zhì)調(diào)繪以及資料收集等方法對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)勘察，取得了科學(xué)的地質(zhì)參數(shù)。依據(jù)地質(zhì)參數(shù)，采用理論計(jì)算與FLAC3D離散元模擬進(jìn)行計(jì)算分析，綜合評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。

2.1　理論計(jì)算法

根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[2]推薦公式及文獻(xiàn)[3]基本理論，結(jié)合煤層傾斜程度、采厚、采煤方式、頂板管理方式、開采時(shí)間等對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，剩余沉降量(mm)為

W剩余=n×η×m×cosα

(1)

式中，η為下沉系數(shù)，水砂充填時(shí)取0.2，未充填時(shí)取0.8；m為煤層開采厚度(m)；α為煤層傾角，取18°；n為剩余下沉系數(shù)，根據(jù)采空區(qū)活躍期、衰退期、穩(wěn)定期變形量與時(shí)間的關(guān)系[4]，及采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，剩余下沉系數(shù)按表2選取。

表2　采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)

依據(jù)表2計(jì)算參數(shù)及理論公式計(jì)算，鐵路下采空區(qū)剩余下沉量為569.2～769.4 mm，平均剩余沉降為690.5 mm，大于規(guī)范中工后沉降量小于300 mm[5]的要求。

2.2　FLAC3D離散元分析法

FLAC3D離散元軟件因自身強(qiáng)大的功能，廣泛應(yīng)用于地下洞室、隧道工程及礦山工程等領(lǐng)域[6]，采空區(qū)的剩余變形取決于巖石物理力學(xué)性質(zhì)、礦層的傾角、開采深度、礦層厚度、沖洪積層厚度等因素綜合影響，合理建立數(shù)值模型，科學(xué)選取計(jì)算參數(shù)，是采空區(qū)地面變形計(jì)算的核心問(wèn)題。

(1)參數(shù)的選取

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆孔取芯，對(duì)各煤層采空區(qū)頂板巖石進(jìn)行了226組試樣的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，分別進(jìn)行巖體RQD量測(cè)，巖石天然密度、含水率，天然和飽和狀態(tài)下的巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及單軸壓力作用下的變形試驗(yàn)，獲得各層頂板巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，結(jié)合采空區(qū)頂板各層圍巖巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用類比法與類似巖性和巖體結(jié)構(gòu)類型條件下的巖體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較，合理選取各煤層采空區(qū)頂板、第四系覆蓋層計(jì)算參數(shù)(見表3)。

表3　采空區(qū)頂板巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值一覽

(2)模型的建立及分析

依據(jù)地質(zhì)資料及采空區(qū)情況，選取具有代表性的3段分別建立模型，模型尺寸為800 m×400 m×400 m。模型采用位移固定邊界體系，地表為自由面，整個(gè)三維地質(zhì)模型共劃分34 656個(gè)單元和195 572個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中采空部分采用零單元(null)模擬，彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾一庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，以計(jì)算采空區(qū)地表剩余沉降，模型見圖1。根據(jù)表3的各采空區(qū)頂板物理參數(shù)計(jì)算分析，該采空區(qū)的剩余沉降量為559.0～803.0 mm，平均剩余沉降量695.3 mm。

圖1　采空區(qū)FLAC-3D模型

(3)穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)理論計(jì)算與離散元數(shù)值模擬兩種方法綜合分析，該采空區(qū)最小剩余沉降量為559.0 mm，平均剩余沉降量為692.9 mm，為規(guī)范[5]規(guī)定最大工后沉降量的231%。目前地表裂縫、塌陷坑等不良地質(zhì)災(zāi)害正在發(fā)育，綜合評(píng)價(jià)該采空區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)。

3　結(jié)束語(yǔ)

煤礦采空區(qū)受地層巖性、開采時(shí)間、開采方式、復(fù)采情況等影響，采空區(qū)變形規(guī)律更為復(fù)雜，穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，本文采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合綜合評(píng)判方法，對(duì)采空區(qū)的剩余沉降進(jìn)行了合理的分析，提高了采空區(qū)場(chǎng)地地基穩(wěn)定性評(píng)判結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確程度，從而可以根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)等綜合判定，為采空區(qū)是否需要治理提供理論依據(jù)。

[1]林宗元.巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995

[2]國(guó)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[S].北京:煤炭工業(yè)出版社，2000

[3]鄒友峰.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000

[4]山西省交通廳.高速公路采空區(qū)(空洞)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2005

[5]TB10001—2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6]彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007