新红线采空区对铁路选线的影响

黄新文 易菊香

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

内蒙古自治区矿区分布广泛，大面积煤田采空区是矿区普遍存在的地质问题，给当地的各种工程带来巨大的不稳定因素。新红线东起准朔铁路的红进塔车站，西至包西铁路的新街车站，中部为内蒙古东胜矿区(见图1)，如何穿越矿区成为本次勘测的重点之一。

1 地质概况

1.1 地形地貌

束会川以东为低山丘陵区，以西为丘陵区和哈拉沙地，靠近新街侧为毛乌素沙漠边缘区，奎洞沟附近以及奎洞沟北侧为丘陵区。地势总体呈东北高，西南低。

1.2 地层岩性

沿线出露地层较为简单，主要有第四系全新统风积粉细砂;湖积粉土、粉质黏土;河流相冲积细砂、圆砾土;上第三系上新统砂岩、泥岩;白垩系下统泥岩，砂、砾岩;侏罗系中下统砂岩夹泥岩、煤层和烘烤岩(火烧岩)。

1.3 地质构造

线路所经地区属新华夏构造体系之鄂尔多斯构造盆地，该盆地主要形成于中生代，印支期当地开始下陷沉降，先后接受了巨厚的中生代沉积物。白垩纪晚期，由于燕山运动第二幕的影响，鄂尔多斯盆地开始上升，其上缺失了白垩系上统地层。第四纪以来，受喜马拉雅运动的影响，区域内继续大面积缓慢上升，形成了现在的鄂尔多斯高原。

鄂尔多斯盆地受大的构造环境影响较小，经历的构造运动多以升降式的振荡运动为主，区内岩层的褶皱、断裂等地质构造现象均发育，地层产状近于水平。线路经过范围无大的构造及断裂。

1.4 煤矿现状与采空区情况

本区分布地层为侏罗系含煤地层，煤矿南起红进塔，北至准格尔召，西至呼和乌苏沟，矿区和正在开采的矿井密布。本区主要可采煤层为1～6号煤 层，煤层分布东浅西深，束会川以东主要开采煤层为5号、6号;包府公路附近主要开采煤层为4号;乌兰木伦河附近主要开采煤层为1号、2号、3号;阿大公路附近煤层埋藏较深。

1.5 采空区水文地质情况

矿区内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水埋深10～20 m，受大气降水的补给;第三系泥岩为连续性良好的隔水层，阻止了孔隙潜水下渗补给，基岩裂隙水主要赋存于侏罗系的泥质砂岩中，埋深约40～60 m。泥岩具弱膨胀性，在地下煤层大面积开挖后，基岩裂隙水会沿采空区四周宣泄，浸泡泥岩，使其软化、崩解，从而使煤层顶部产生冒落、撕裂、弯曲，使地面下沉或塌陷。

2 线路方案

该段线路主要有3个方案，CLK鄂尔多斯方案、ICLK北绕布尔台井田新街接轨方案、ⅡCLK考考赖沟短隧高桥方案，如图1所示。

图1 线路走向示意

2.1 CLK贯通方案

该方案东起红进塔，沿束会川北上，至奎洞沟折向西，接东乌延长线海勒斯豪站，跨越东西乌兰木伦河后接至鄂尔多斯车站。

2.2 ICLK比较方案

该方案自海勒斯豪站之前与CLK方案相同，海勒斯豪站之后跨过东西乌兰木伦河，沿布尔台井田边界走行接入新街车站。

2.3 ⅡCLK比较方案

该方案自红进塔出站后顺束会川北上约15 km折向西，经过考考赖沟、乌兰木伦河，沿呼和乌苏沟走行后贴近包茂高速接入新街车站

3 方案比选

三个方案均无法完全避开矿区，下面对各个方案的优劣进行分析。

(1)CLK鄂尔多斯方案自红进塔站出站后一直走行于沟谷之中，后跨过包府公路，接入海勒斯壕站，最终接入包西铁路的鄂尔多斯车站，利用包西铁路接至新街站，穿越矿区最少，新建线路长度最短，而且穿越矿区部分位于奎洞沟沟谷，压煤约28 km，基本避免了采空区。但该方案在转龙湾处经过流动沙丘和半固定沙丘合计约7 km，工程地质条件较差。

(2)ICLK北绕布尔台井田新街接轨方案在海勒斯壕站之前与CLK相同，跨过阿大阿新公路后走行于布尔台井田边界与鄂尔多斯机场之间的约200 m通道内。该段煤层埋藏较深，故存在压布尔台井田的问题。该方案通过流动沙丘半固定沙丘合计约5 km，压煤约45 km，基本避免了采空区。至新街线路运营长度与鄂尔多斯方案相比优势不大，但新建线长度明显不如鄂尔多斯接轨方案。

(3)ⅡCLK考考赖沟短隧高桥方案线路短直，至新街距离比其他两方案优势明显，但不可避免的要穿越矿区与采空区，该方案压既有矿区约47 km，穿采空区约2.58 km，在以隧道形式穿越某煤矿时，线路无法避免与采空区相交(如图2)，且该煤矿煤层所在深度局部为富水性区域。此外，赖沟附近现场调查时发现小煤矿超采现象严重，地面塌陷区域已超出矿井边界，地表10余个塌陷坑，用高密度电法探测得出该段采空区分布较多且无法避免，该段工程地质条件较差。

图2 ⅡCLK穿越某煤矿剖面

4 某煤矿采空区稳定性评价

4.1 地表变形预测

该段采空区长度2.1 km，深度平均约40 m。其中采空区上覆顶板厚度H=40～60 m(上覆第四系地层10～20 m)。

按照《铁路工程地质手册》，首次充分采动的按以下公式计算最大下沉量

式中 q0——下沉系数，按照倾斜长壁式水砂充填方法开采，查表取0.10;

m——矿层的法线厚度，为4 m;

α——矿层倾角，α =3°;

把以上数据带入式(1)，经计算:η0=0.40。

最大倾斜值

式中 r——地面影响区的半径。

式中 β——移动角;

经计算，i0=16‰。

最大曲率:k0=1.52η0/r2=19 mm/m

最大水平移动值:ξ0=bη0=0.12 m。

b——水平移动系数，根据煤田地质资料，b=0.3。

4.2 稳定性评价

调查未发现地表塌陷、裂缝等现象。通过以上计算，采空区的最大下沉值约为0.4 m，最大水平移动值约为0.12 m，采空区还未达到稳定，地面下沉还会继续发展。随着开采的进一步推进，地面下沉的速度也会随之加快，处于移动和变形活跃阶段。同时，地表下沉将对穿过采空区的隧道造成影响，给铁路运营带来无穷的后患。该采空区对工程影响较大，治理难度较大，费用较高，铁路不宜从该采空区通过，建议绕避。

5 结语和建议

新红线通过煤矿及其采空区地段的主要原则首先是绕避。实在无法绕避时，在查清采空区范围、规模的基础上采取适当的处理措施予以通过，并使线路通过不良地质地段的长度尽量缩短。根据现有煤矿开采情况，加之诸多小煤矿超采的不可预见性。从工程地质角度出发，鄂尔多斯接轨方案穿越开采煤矿少，压覆矿产资源少，风沙长度短，工程地质条件相对较好。

[1]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M］.北京:中国铁道出版社，1999

[2]邱恩喜，赵文，刘俊新.地下采空区加固范围的数值分析与稳定性评价[J］.路基工程，2008(1)

[3]方磊，郁犁.煤矿采空塌陷区注浆加固施工[J］.施工技术，2005(增刊):357-359

[4]何华，宋飞，薛德生.隧道采空区治理方法研究[J］.山西建筑，2007(1)

[5]刘治.隧道采空区底部塌方处理[J］.科技咨讯，2008(4)