大面積深埋采空區對鐵路工程建設影響研究

孟文峰

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

1 引 言

隨著國家減排降碳方針的持續推進，鐵路、水運等節能運輸因“公轉鐵”政策取得較快的發展，作為打通鐵路運輸“最后一公里”的專用線工程，因其較公路擁有綠色、低廉、高效的天然優勢，得到了礦業公司及運輸行業的青睞。大面積采空區引起地表沉降、塌陷，對建構筑物的安全運營影響很大。鐵路選線原則上應繞避至各類礦區(大面積采空)范圍外一定距離[1-2]，不能繞避的應評價現有采空區及未來開采活動的影響[3-4]。目前，中淺層采空區對鐵路工程的影響大，相應的研究成果也較多，徐彩風[5]探討了大面積采空區不同等級鐵路選線原則；付仕科[6]等研究了沙午鐵路沿線硬巖地層中的采空區頂板穩定性；馬亞坤[7]研究了小采深采厚比煤礦頂板的穩定性；張鶴[8]通過工程實例應用了采空區調查及繞避計算方法；尤耀軍[9]基于煤礦冒落巖石壓力實測數據總結了采空區工作面推進過程中冒落巖層碎脹系數的變化規律；王亞林[10]等通過理論分析、實測數據及灰色模型模擬發現采空區地表移動延續時間與地表不均勻沉降具有密切聯系。

2 工程概況

2.1 項目概況

擬建鐵路專用線工程長9.372 km，場區屬魯西南黃淮海沖洪積平原區，地面高程介于33.5～36.5 m之間，地形平坦，地勢開闊，沿線村落繁多，坑塘溝渠密布，各等級公路往來穿梭，交通十分便利。

2.2 工程地質條件

區內第四系地層全覆蓋，主要巖性為砂質黏土及大量棱角狀巖石碎塊、河砂、礫石組成，厚度為150.8～280.0 m，平均厚度212.0 m。

下伏地層由老到新依次發育有奧陶紀馬家溝群，石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀石盒子群，侏羅-白堊紀淄博群三臺組。其中太原組和山西組為含煤地層。巖性主要為泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖，其中太原組和山西組為含煤地層。

區內侏羅-白堊紀淄博群三臺組中上部普遍發育中生代燕山期侵入巖。

場區內無影響場地穩定性的地質構造。

2.3 不良地質問題

擬建鐵路裝車站和部分區間線路位于煤礦采空區及其影響范圍內。

煤礦采區第四系地層發育，覆蓋全區，擬建線路沿線厚度215～235 m，平均厚度226 m，地層以黏土、粉質黏土、砂層韻律沉積。頂板巖層以粉砂巖、細砂巖、中砂巖、泥巖為主，靠近中上部的侏羅-白堊紀淄博群三臺組中上部普遍發育中生代燕山期侵入巖，呈巖床分布，巖性主要為灰綠色輝長巖，據井田鉆孔資料，擬建線路附近侵入巖床厚度123.6～143.0 m，底板埋深586～843 m，侵入巖層底板至煤層頂面一般大于300 m。

煤礦于2015年投產，目前仍在開采，生產規模為150萬t/年，已形成采空范圍開采標高-1 260～-960 m，平均采深約1 000 m，開采煤層為山西組內3上煤，采用條帶法開采，采區工作面延伸方向為NS～NE之間，與線路走向近垂直，采厚2.4～2.8 m，采深采厚比約300，液壓支架機采，頂板管理為完全垮落法。目前井田采區西側工作面已停采，采區東側工作面充填開采。

3 場地穩定性理論分析

工程區屬于人員密集的魯西南平原區，礦區內城鎮、自然村眾多，地質調查發現，采礦活動持續多年時間后，現采空區及影響范圍內，沒有發現地面沉降及因地面沉降造成的房屋開裂、地面變形等現象，地面無地裂縫、臺階、塌陷坑。根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》(GB 51044—2014)的規定，按照變形特征確定采空區場地為穩定場地。

本場區煤層傾角約8°，采深多大于1 000 m，采深采厚比大于60，屬于深層采空區。采空區頂板以泥巖、砂巖為主，軟硬巖互層，頂板內存在呈巖床分布的堅硬侵入巖，層厚一般大于100 m，侵入巖層底板至煤層頂面一般大于300 m。

根據三帶理論，頂板依次為垮落帶、斷裂帶及彎曲下沉帶。煤層開采后，頂板失去支撐垮塌，垮落帶巖石碎脹，并最終填滿開采空間及垮落巖層本身的空間，其垮落帶最大高度Hm可按公式(1)計算

(1)

式中：M為采厚，m，本礦區最大采厚2.8 m，按此取值；k為垮落巖石碎脹系數，研究資料表明碎脹系數隨上覆壓力增大而減小，并穩定在1.02附近；α為煤層傾角，°，據采掘圖煤層底板等高線求得約8°。

代入式(1)求得垮落帶高度

Hm≈141 m

厚煤層開采后，斷裂帶最大高度可按公式(2)計算

(2)

計算得出

HIi≈33.4 m

計算可知垮落帶與斷裂帶厚度之和174.4 m，斷裂帶與地表之間的距離大于800 m，距離地表遠；兩帶厚度小于堅硬侵入巖床與煤層頂板距離，巖層垮落碎脹后填滿了開采空腔及垮落巖層本身空間，巖床致密堅硬，厚度大于100 m，可有效地調整地應力的分布，起到托板[11]的作用；第四系蓋層厚度大于200 m，對抑制非連續變形向地表發展也可起到很好的正向作用。多因素綜合作用下，地下采空對地表影響小，地面只產生微小下沉。

4 模擬分析

midas GTS NX是為能夠迅速完成對巖土及隧道結構的分析與設計而開發的“巖土隧道結構專用有限元分析軟件”，能夠提供完全的三維動態模擬功能。采用本軟件模擬煤礦開采后地表沉降變形特征。

4.1 三維模型的建立

建立如圖1、圖2所示的三維巖土有限元模型。模型在x軸、y軸、z軸向的尺寸分別為3 520 m、4 000 m、1 410 m。地層由上至下分別為第四系覆蓋層、巖層、煤層、巖層。

圖1 三維有限元模型

圖2 采空區、鐵路荷載及集裝箱荷載作用

4.2 計算基本假定

(1)土體結構等均按照各向同性計算；

(2)巖土體本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，結構體均采用線彈性本構模型；

(3)土體與鐵軌結構節點位移耦合；

(4)迭代計算方法采用Newton-Raphson法；

(5)收斂標準采用力和位移雙重收斂標準。

4.3 模型材料參數

根據地質特征確定模擬中巖土體和結構的參數如表1所示。

表1 數值模擬參數表

4.4 計算結果及分析

由模擬結果可知。

(1)煤層開挖后的地面沉降呈對稱形態，垂直開采條帶長軸方向，由中心向外沉降值逐漸減小，中心最大沉降約為54.81 mm；沿采空區長軸方向，地表變形呈均勻沉降。鐵路軌道模擬沉降最大為3.93 mm，變形值微小。

(2)擬建線路為貨運線路，設計行車速度40 km/h，采用有砟軌道，路基工后沉降可通過補充道砟的方式糾正變形，對鐵路的安全運營影響小，符合鐵路專用線沉降要求。

(3)模擬鐵路下采煤過程與實際工程有區別，本工程系采后建設，地表活躍期已基本結束，地表下沉大部已經完成，鐵路建設期剩余下沉量小，實際對鐵路工程安全影響更小。

5 監測數據分析

數值模擬因建模對象的尺度效應、各向異性及非線性等眾多因素，不能完全反應真實事件的發生過程，模擬數值必然和實際存在差異。沉降監測是反映地表變形與地下采空相互作用的結果，分析變形特征、查明變形所處階段，評價場地穩定性的直接手段。據場區內煤礦公司提供了自2016年4月12日～2020年5月18日地表變形監測資料，選取有代表性的C32、C40、D31、D49、M13、M31、N15、XZ5號地表監測點進行沉降分析，涉及的采空區工作面分別編號為1307、1309、2311、2313、5302、5307綜采工作面，各綜采工作面的基本情況見表2。

表2 各綜采工作面基本情況

整理長達4年的監測數據，選取采空區內代表性監測點，繪制地表沉降隨時間的變化曲線。

由監測資料可知。

(1)沉降在平面上呈中間大外圍小的“碟形”，最大沉降點位于2311和2313開采面連通開采區域幾何中點附近，第二沉降中心位于整個采區幾何中心位置附近。下沉值向兩側逐漸減小，并繼續向采空區外側擴展，采區西側移動盆地邊緣距1307工作面水平距離約701 m(對應下沉10 mm確定)。

(2)采空區同一條帶上不同點位沉降差異較大，靠近端部的監測點如N15和M31沉降微?。辉娇拷蓞^中部的監測點如M13和D49等沉降逐漸變大。

(3)D31和M13監測點所在工作面，吻合條帶開采條件，地表最大下沉值分別為120 mm和49 mm。橫向對比發現，由于D31距2311和2313開采面連通開采區域最近距離僅458 m，且相對更接近整個采區幾何形心，導致D31下沉值明顯增大。

(4)最大沉降點位于2311和2313開采面連通開采區域幾何形心位置附近，該區域2313和2311順序開采，開采寬度達400 m，已接近長臂開采，頂板受重復采動影響，地表沉降值相對較大，最大下沉系數0.115，而其他開采條帶最大下沉系數均小于0.063。表明合理確定開采帶寬及剩余煤柱寬度，是遏制變形向地表發展的關鍵措施。

(5)規范[12]計算地表移動延續時間T=1 822 d，而監測點下沉曲線表明，地表移動延續時間均短于15個月，表明條帶開采可以顯著縮短地表總移動期，有利于場區內作為建設場地的后續開發。

6 結 論

對大面積深埋采空區，當頂板巖層內存在大厚度堅硬巖層，采用條帶開采法，控制條帶開采的寬度，可以有效的遏制采空區頂板巖層冒落、斷裂向地表發展，地表下沉系數小，下沉量微小，可有效地減小對地表建筑物造成的危害；實際觀測的地表移動延續期短于15個月，遠低于規范理論公式計算值，表明該條件下地表變形可較快達到穩定，有利于采空區重新作為建筑場地進行后續開發。

綜上所述，該場地適宜鐵路工程建設。