煤礦采空區鐵路選線研究

徐柳偉

摘要：煤炭資源分布范圍廣、儲量豐富、開采規模大，煤炭的大量開采，尤其是粗狂式的開采，使礦區形成大片的采空區，為解決煤炭運輸問題，高效利用鐵路的運能，常將運煤鐵路修建在礦區，鐵路建設過程中常會遇到線路穿越采空區的問題。詳細介紹采用綜合勘察手段探明采空區指導鐵路選線的典型工程案例，現已初步通車，效果良好。

關鍵詞：采空區；勘察

引言

某鐵路經過鄂爾多斯東勝煤田、準格爾煤田，區內礦區廣泛分布，煤層開采后形成大面積采空區。敖包溝隧道全長3200m，穿越中興、公溝和敖家溝西梁煤礦，煤礦開采后形成大面積采空區，采空區對隧道設計與施工有重要影響。

1.采空區綜合勘察方法

采空區位置及狀態的確定是隧道下穿采空區設計與施工的關鍵，采空區的工程探測手段主要有三類：地質調查、井下測量、綜合物探及工程地質鉆探。

1.1地質調查

地質調查包括外業調查和地質調繪，外業調查是通過搜集資料、調查訪問等方法對隧道附近煤礦采空區開采年代、開采方法、采空區形式以及范圍進行初步調查，對采空區大致范圍與形態有所掌握。地質調繪以垂直地質界線路線穿越法為主，重要地質界線采用沿線追蹤法；調查重點為煤礦采空區、軟弱巖層、節理密集帶、較大地表水體及地下水與構造薄弱帶的關系等。

1.2井下測量

井下測量的主要對象是巷道，巷道測量和地面測量工作一樣，應遵循“從高級到低級，從整體到局部”的原則。巷道測量的主要任務確定巷道、硐室及回采工作面的平面位置與高程。井下巷道測量中的各項規定應按《煤礦測量試行規程》中的規定執行。

1.3綜合物探

對于采空探查，常用物探方法有電法、地震、地質雷達，必要時可采用綜合測井等綜合物探手段。

1.4工程地質鉆探

工程鉆探是地質勘探中常用的方法，在采空區探測中，鉆探能夠詳細明確采空區的位置和埋深，對工程物探結果有很好的驗證及補充作用。敖包溝隧道下穿采空區勘探中，先后采用多臺鉆機進行采空區鉆探，鉆探按《鐵路工程地質鉆探規程》（TBl0014-2012）要求進行。勘探孔鉆進嚴格控制回次進尺和轉速，巖芯采取率一般80%～100%，大部分回次采取率大于90%。孔深至最下一層煤層底板不少于20m。

2.采空區特征

2.1煤礦采空區類型

絕大多數現代正規礦井均采用高效率的正規采礦方法，這些方法在許多文獻中都有詳細的介紹。我國煤炭開發歷史悠久，煤層賦存條件多樣，促使我國現代的采煤方法多種多樣，是世界上采煤方法種類最多的國家。這些采煤方法主要包括壁式采煤法和柱式采煤法兩大類。

2.2保安煤柱計算

通過調查、物探、鉆探等多種勘察手法，煤礦采空區基本同采礦權登記面積相同，采空區多位于地面60m以下，地面塌陷區及地面裂縫明顯。中興煤礦采空對隧道影響較小，隧道穿越地段為敖家溝西梁煤礦的安全煤柱，由于該處煤層傾角較小，約3-7°，勘測期間實測巖層傾向為N60°W/6°S，根據《鐵路工程地質手冊》中大面積采空區的地表移動變形預測一章中，關于移動盆地邊界預測的走向邊界角的公式計算：

δ0=δ-15°

2.3隧道下穿采空區安全頂板厚度確定方法

采空區底板的破壞深度是確定下穿隧道合理安全頂板厚度的重要因素，因采空區底板破壞與采空區垮落后支撐壓力、采空區開挖后底板應力分布有關。

煤礦開采后采空區底板圍巖破壞與下穿采空區隧道圍巖破壞相互影響，圍巖破壞區幾何關系分析，隧道下穿采空區安全頂板厚度H可按下式確定：

H≥D+s+（R-r）

式中，D-采空區底板破壞深度；s一原巖保護層厚度；R-隧道中心至拱頂破裂區范圍；r-隧道半徑。以上分析可知，隧道下穿采空區安全頂板最小厚度應為采空區底板巖層破壞深度、原巖保護層厚、隧道拱頂圍巖破裂區之和。

綜上所述，采空區下隧道安全頂板厚度的主要影響因素有圍巖條件、采空區狀態（采空區尺寸、形態、采空區頂板管理方式）、隧道施工方法、支護方式、爆破震動等。這些因素影響安全頂板厚度的穩定，進而對下穿隧道圍巖的穩定造成重要影響，對于隧道下穿采空區工程設計，采用多因素理論分析方法能預估安全頂板的合理厚度。

2.4采空區選線

隧道與其下方采空區邊界底板的水平距離稱為隧道上跨采空區保安煤柱；隧道頂部距上方采空區底板巖層厚度表示了下穿隧道與采空區的豎向位置關系，又稱為隧道下穿采空區安全頂板厚度。敖包溝隧道穿越礦區線路設計時，通過線路優化規避公溝煤礦、西梁煤礦采空區的影響，降低了部分隧道穿越采空區的工程風險，但在部分段落須下穿中興煤礦采空區，通過降低鐵路標高得以增大下穿采空區時安全頂板厚度，施工風險降低。因此，隧道穿越采空區設計方案應從投資、施工風險、工期等方面進行必選，而保安煤柱寬度、安全頂板厚度的確定是整個設計的關鍵，成為控制隧道投資、施工風險、工期的決定性因素。

3.結論

在鐵路及高等級公路工程建設中，經常會遇到各種復雜的地質條件。其中各種類型的采空區對鐵路及高等級公路的修建和運營會產生嚴重的負面影響。采空區的存在使其上覆巖層冒落塌陷，地表形成沉降盆地或裂縫，對鐵路、公路路基、橋梁等將產生很大的破壞作用。近年來，由于山西、內蒙、陜西、山東等礦產資源大省鐵路、公路建設力度的加大，一些新建鐵路和公路不得不通過礦區，采空區的評價及治理問題又變得十分突出。因此，深入分析不同類型及性質的采空區上部地層變形破壞機理、對采空區地基穩定性進行科學的評價，選擇安全可靠、經濟合理的方案來處理采空區，是鐵路及公路工程建設中的當務之急。

本項目根據我院近年來采空區工程地質勘察、選線的經驗，對采空區類型、采空區變形、采空區地基穩定性進行了全面系統的分析研究