太兴线DK88+800～DK89+900采空区对拟建铁路影响

李江辉

1 工程概况

新建铁路太原—兴县线全长167.2 km,为国铁Ⅰ级客货共线铁路。采空区勘查地段为DK88+800～DK89+900段,在该段的主要工程为下静游隧道、下静游大桥、韩家沟大桥及路基填挖段。

2 采空区分布特征

根据环境地质调查和搜集访问资料、地球物理勘测及钻探综合确定采空区主要分布在DK88+800～DK89+900段,本次将拟建铁路线附近采空区分为3个区：A区,B区和C区,其特征如下：

1)A区。位于下静游2号隧道DK88+800～DK89+160左侧70 m,煤层底板标高约1 130 m～1 160 m,采深一般70 m～80 m,采厚约2 m,回采率小于30%。其东部边界位于拟建铁路线DK88+800～DK89+160左侧80 m～100 m,其西部边界距拟建铁路线较远。采空区埋深一般70 m～80 m,形状为不规则椭圆形,南北长约300 m,东西宽约120 m,面积约3.6×104m2。

2)B区。位于DK89+300～DK89+500右侧,开采标高位于1 080 m～1 170 m,开采深度30 m～150 m,采厚约2 m,巷道式开采,回采率小于20%,巷道高宽1.5 m,不规则。其西边界位于拟建铁路线DK89+300～DK89+500右侧4 m～30 m,东边界位于拟建铁路线DK89+300～DK89+500右侧20 m～100 m。采空区形状为一卵圆形,北宽南窄,面积约1.12×104m2。

3)C区。分布于B区东侧外围。主要由三神窑煤窑开采石炭系太原组9号煤形成,开采标高1 080 m～1 100 m,采深一般70 m～80 m。C采空区西部边界由F2断层控制,位于拟建铁路线以东160 m～190 m。该采空区形状呈不规则长条形,面积约5.0×104m2。

3 采空区地表变形特征

本次工程在DK87+300～DK89+600两侧范围内共发现5处地面塌陷和3组地裂缝。其中T2主要由黄土遭水浸蚀形成,其余由采煤诱发。地面塌陷主要由塌陷坑组成,塌陷坑直径1 m～8 m,深0.5 m～8 m,地层为 Q3粉土,疏松多孔隙。地裂缝地面表现为一系列的地面开裂现象,局部以群缝的特征出现。

4 采空区覆岩稳定性影响因素分析

控制和影响采空区覆岩稳定性的因素主要有采煤和顶板管理方法、覆岩性质、煤层赋存条件、地形地质条件等。

4.1 采煤和顶板管理方法

线路附近小煤矿采煤方法为巷柱式或房柱式,均为非正规采煤方法,一般主巷道宽1.5 m～2.5 m,支巷宽 1.5 m～2 m,柱宽5 m～10 m,回采率低于30%。采用自然垮落法管理顶板,由于开采作业不规范,回采率低,地表移动变形规律差,在地表易出现塌陷坑、地裂缝等非连续性地表变形。

据本次勘察钻孔揭露,煤层覆岩以灰岩、砂岩、泥岩和土层为主,采空区覆岩统计结果见表1。

表1 采空区覆岩统计表

表1表明A区软岩和极软岩所占百分比达90%以上,其地表下沉和移动变形速度快,冒落岩层间空洞率小,区内分布较多的塌陷和裂缝说明其地表变形相对B区和C区要强烈和充分;B区软岩和极软岩占56%～79.6%,中硬岩占23%,其移动延续期比A区要长,由于其开采时间最早(古窑),回采率低,其地表移动一方面不明显,另一方面由于时间久远,地表变形可能被后期改造;C区软岩和极软岩占 60%～70%,中硬占15%～20%,坚硬占5%～10%,相对比较中性,采空区内零星分布有地面塌陷,说明其变形并不充分,随着时间的推移可能再次出现塌陷。

4.2 煤层赋存条件

根据勘探钻孔计算开采深厚比见表2。从表2可看出,线路附近采空区开采深度比大多小于40,地表应产生强烈的变形,实地调查,A区地表变形相对强烈,C区次之,B区不明显,表明采空区未完全冒落,尚遗留有空洞,存在塌陷隐患。

表2 开采煤层深厚比统计表

4.3 地形地质条件

勘查区位于黄土梁峁区沟梁相间,地形起伏较大。黄土具大孔隙和垂直节理,自然条件下易产生黄土陷穴、冲沟。采煤情况下,覆岩冒落,诱发黄土塌陷,另一方面在采煤爆破震动,覆盖冒落的作用下,使土体产生松动,加剧黄土塌陷、开裂,地形地质条件有利的情况下还可产生采动滑移。勘查区采空区分布地段地表稳定性差。

5 采空区覆岩稳定性评价

根据搜集资料和勘查成果,本次工作采用开采条件判别法进行采空区覆岩稳定性评价。

铁路沿线分布的采空区均为小窑采空区和古老采空区,因此其稳定性采用顶板基岩厚度评价(见表3)。

表3 稳定性分区评价标准

勘查区钻孔勘探采空区(煤层)顶板基岩厚度统计见表4。

表4 顶板基岩厚度评价法采空区稳定性评价

表4表明采空区A区基岩顶板厚度41 m,属可能变形区,其影响范围内进行重点工程建设应予处理;B区顶板基岩厚度在42.7 m～55.9 m之间,属可能变形区,其影响范围内进行重点工程建设应予处理;C区顶板基岩厚度位于41 m～61.0 m之间,大部分可能变形,局部基本稳定,综合确定该区为可能变形区,其影响范围内进行重点工程建设应予处理。

6 采空区地表移动变形范围

本采空区松散层移动角按西山矿区：h=10 m,φ=45°;h=10 m～ 20 m,φ=50°;h=20 m～ 40 m,φ=55°;h=40 m～ 60 m,φ=60°;h≥60 m,φ=65°,基岩移动角 δ=γ=72°,β =72°-0.6α,松散层厚度和地表至煤层的垂直深度根据钻探资料确定。

1)A采空区。采用作图法按上述参数确定地表移动变形宽度DK88+908处为40 m,DK89+010处为44 m,DK89+080处为34 m,A采空区(东侧)地表移动变形宽度34 m～44 m。2)B采空区。采用作图法按上述参数确定地表移动变形宽度DK89+424处左侧为84 m,右侧为40 m;DK89+370处左侧为104 m,右侧为42 m;DK89+336处左侧为80 m,右侧为30 m。B采空区地表移动变形宽度左侧(靠近铁路线一侧)为84 m～140 m。3)C采空区。C采空区西边界距离铁路受护边界约100 m,根据钻探资料,C采空区西边界一带松散层厚度54 m,松散层移动角 φ=60°,地表至煤层的垂直厚度为80 m,基岩移动角为72°,计算地表移动变形宽度为40 m。C采空区靠近铁路线一侧地表移动变形宽度为40 m。

7 铁路保护煤柱的计算

7.1 参数选取

设计保护煤柱时松散层选用西山矿区移动角φ值：h=20 m～40 m,φ=55°;h=40 m ～ 60 m,φ=60°。基岩移动角由于西山矿区没有岩层大于5°的实测值,选取阳泉矿区实测值：δ=γ=72°,β=72°-0.5α=51°。

7.2 受护面积的圈定

按第59条规定,路堤以两侧路堤坡脚外1 m为界,路堑以两侧堑顶边缘为界,作为拟建铁路受护边界。然后沿受护边界按《规程》表6的规定外延20 m作为拟建铁路的围护带边界。

7.3 用垂直剖面法计算铁路保护煤柱

1)如图1所示,受护边界为一长条不规则形,在外侧加宽20 m为围护带边界,剖面Ⅰ—Ⅰ′,Ⅱ—Ⅱ′与围护带边界相交于a,b,c,d四点。2)根据分析得a,b,c,d各点的围护带边界与煤层走向的夹角(θ)、地面标高、煤层底板标高、松散层厚度、煤层埋深和基岩厚度(见表5)。3)根据松散层移动角和所求的基岩移动角计算出(相当于剖面投影)a—a′,b—b′,c—c′,d—d′分别为 37.5 m,46.64 m,27.64 m,38.52 m。 4)根据 a′,b′,c′,d′各点圈定铁路线路保护煤柱范围见图1。

表5 铁路线路各剖面点特征值

8 采空区对拟建铁路的影响分析

A采空区靠近铁路一侧地表移动变形宽度为38 m～40 m,拟建铁路围护带边界位于地表移动变形边界以外,因此A采空区对拟建铁路无影响。B采空区靠近铁路一侧地表移动变形宽度为74 m～140 m,拟建铁路DK89+320～DK89+550段位于 B采空区地表移动变形范围内,因此B采空区对拟建铁路的安全运营构成威胁,必须进行治理。C采空区靠近铁路一侧地表移动变形宽度为40 m,拟建铁路围护带边界位于地表移动变形边界60 m以外,因此C采空区对拟建铁路无影响。

[1]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].

[2]TB 10027-2001,铁路工程不良地质勘察规程[S].

[3]朱 勇.煤层采空区隧道的勘察设计[J].山西建筑,2008,34(18)：333-335.