采空区铁路工程地质选线

2012-11-29周革

铁道勘察 2012年6期

关键词：选线采空区边界

周革

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

采空区为铁路工程中一大重要不良地质，因开采种类多，开采方式多样，矿产所有权权属变化，加之历史原因，常常成为影响线路方案的重要因素。本文结合工程实例就采空区识别、范围界定、选线原则进行了探讨。

1 采空区识别及移动盆地边界界定

确定线路沿线采空区范围、影响区域是采空区铁路选线及确定线路方案的先决条件。识别采空区及界定移动盆地边界主要采用调查、地质分析、推算以及综合勘探验证等步骤。

1.1 调查

现场实地调查是采空区识别及边界界定的必要手段，包括走访调查，收集既有的采掘资料(巷道平面图、巷道采掘高程图)、地质资料，以及地表变形、开裂情况的调查。

(1)开采情况调查

首先根据相关资料确定可能的采空区地点、范围，通常在开展工作之前到当地国土资源部门进行初步的调查，确定大型采空区的具体位置和规模、开采方式、开采现状、权属人，然后在实际线状调查中利用调查表的形式调查当地居民。

在调查中主要调查采空区开采矿产的种类、开采点井口、巷道布置形式、巷道的走向、采掘范围、开采方式、开采深度等资料。尤其要重视调查矿产产量、弃碴位置及数量、运输方式，这是验证采空区开采范围的有效佐证。同时，在调查中还需要调查多人，互相验证，最好是调查直接参与过开采的工人、技术人员或管理人员。

(2)地质调查

采空区调查中需要加强地质资料的现场核查，主要查明开采区附近覆盖层厚度、基岩岩性、地层时代，采空区范围褶皱、断裂等构造，沉积岩产状，矿产分布形态，弃碴成分等。

1.2 地质分析

在采空区边界计算之前，必须进行地质分析。采空区的开采与采空区地质背景具有极为紧密的联系，尤其是对于采掘资料不全的早期采空区，往往根据开采情况的调查，结合地质分析，可以较为准确的界定采空区边界。

宁安城际铁路安庆煤窑采空区，里程范围位于CK249+000～CK250+000段。主要地层为:大隆组硅质页岩，燧石层夹炭质页岩、泥质灰岩，龙潭组粉砂岩、粉砂质页岩，其中煤层主要分布在龙潭组地层中(如图1所示)。

图1 安庆采空区范围线路示意

经过三个阶段的测绘、调查，共查出线路附近的煤窑洞口17个。经调查，安庆采空区较大的煤窑主要为国营开采，乡村开采主要为小型煤窑。除长青矿业煤矿还在开采外，其他均已关闭。调查中收集到长青矿业煤矿、高松联营矿、柘山煤矿二矿区采掘平面图。大型煤矿采掘资料较为齐全，可以较为方便的界定移动盆地边界。其他乡村小型煤窑没有图纸，主要采用走访、调查收集资料。该类小煤窑主要在20世纪60～80年代开采，部分90年代开采。由于年代较远，部分受访人说法不太一致。

通常现场调查及地质资料分析，发现该处大的地质背景为一背斜，中间出露的为大隆组地层，两翼分布龙潭组地层，不论是大型煤矿还是小煤窑主要赋存于两侧的龙潭组地层，开采方向为背向线路走廊。根据这一结论，选择几个控制点进行了钻探，进一步查明了岩性时代。同时，在拟选线路上局部地段进行了物探大地音频验证。

在线路确定时，大胆采用从两侧采空区中间段落穿过，从而为快速稳定线路方案提供了有力支撑，目前该段线路已进行正常施工。

1.3 推算

(1)采空区边界角的确定

基岩采空区移动盆地临界边界距离的计算主要参数是边界角:δ0(走向边界角)，γ0(上山交界角)，β0(下山边界角)，通常按下列公式计算上述边界角

式中δ、γ、β为走向移动角、上山移动角、下山移动角，为经验参数，可参考相关资料。

(2)采空区移动盆地临界边界距离计算

宁杭客专CK137+000～CK141+350左侧为白泥场煤矿采空区，采空区附近线路方向近南北向，而煤层倾向北－北北东，倾角 α为5°～20°，矿体倾角缓，开采厚度薄。计算中只需考虑走向角，对于表土层移动角一般与产状无关，本次按40°考虑。

白泥场煤矿基岩移动角取值如表1。根据公式(1)～(3)计算的边界角如表2。

表1 采空区移动角参数 (°)

表2 采空区边界角计算结果 (°)

移动盆地临界边界距离计算公式如下

式中，H1为表土层厚度，H2为基岩厚度，Φ为土层的内摩擦角，δ0则为走向移动角。白泥场煤矿采空区表土层厚约40m，基岩厚约510m，计算得移动盆地临界边界距离为405m。

根据现场调查以及对收集资料的分析计算，结合采空区和线位的平面位置关系可知，白泥场煤矿开采区边界至线位距离为560m，明显大于计算的移动盆地临界边界，具备较高的安全储备。故CK137+000～CK141+350段线位以7000m的半径从采空区外围通过是安全可靠的。

1.4 综合勘探验证

采空区的识别与移动盆地边界的界定除了必要的资料收集、地质分析、推算外，还必须借助综合勘探来验证。

通常借助钻探和物探验证，尤其是对物探异常段落更需要加强验证。不过对于采空区的物探和钻探异常部位仍然存在多解性，需要进一步研究。另外借助数值计算手段弄清采空区性质及范围也具有重要作用。合福客运专线DK449～DK500段官山底附近采空区就借助了EH－4和钻探来综合勘探验证采空区范围(如图2所示)。

图2 合福官山底采空区局部综合勘探示意

2 线路经过采空区选线原则

对于铁路通过采空区选线原则要从安全、经济考虑，根据两个方面确定:①铁路标准的高低;②采空区范围的准确度。

高速铁路、客运专线铁路标准高，尤其是无碴轨道，沉降要求小，对线下工程变形要求极高。而地方铁路、专用线等工程沉降限制要宽松很多。

大型采空区通常资料清晰，采掘边界明确，同时受益于现代设备，开采的深度更深、范围更广。而较古老的采空区，由于管理体质原因，通常边界较为模糊，超采较为普遍。尤其是时代久远的采空区，范围更是难以查明，不过该类采空区受通风、照明影响，相应的采掘深度要小得多。

因此，对于不同规模、形式的采空区，依照不同的铁路标准，需要从技术经济的角度综合分析，确定出线路通过采空区合理的部位及方式。根据采空区选线实例，建议原则如表3所示。

表3 采空区铁路选线原则

3 采空区附近铁路工程监测

由于采空区工程地质的复杂性，铁路在后续施工及运营中还需要加强监测。①对于正在开采的采空区而言，尚需根据相关铁路安全保护法关停安全保护范围内的采掘工作，同时应加强采掘情况的动态监控，防止采空区移动盆地边界发生不利变化。②对于已停采的采空区，应根据不同的铁路标准进行沉降、变形监测，对于采用注浆、强夯、跨越等方法通过采空区的工程除了工程检测外，同样需要进行长期监测。