铁路下采空区覆岩稳定性模型试验*

郝 哲 李喜林 王来贵

(1.辽宁有色勘察研究院；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院)

·安全·环保·

铁路下采空区覆岩稳定性模型试验*

郝 哲1李喜林2王来贵2

(1.辽宁有色勘察研究院；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院)

以包神铁路下伏采空区为例，开展采空区覆岩稳定性模拟试验研究。通过对采空区破坏状态、位置、采空区围岩的破坏过程、机理和冒落规律进行分析，总结出铁路路基下伏煤层采空区的分布特征，为有效治理采空区提供依据，对于确保铁路运输安全具有一定的参考价值。

采空区 覆岩 稳定性 相似材料 模拟试验

铁路下伏采空区将引发地面塌陷、地裂缝等地质灾害，严重影响铁路运营安全。在列车静动荷载作用下，有可能使相对稳定的采空区围岩重新活化[1]，导致“三带”进一步发育或压实，地表产生更大的变形。由于岩土介质本构关系的复杂性，理论研究和数值模拟难以获得满意答案，而物理模型相似试验则可以较好地解决此难题[2]。因此，虽然模型试验操作复杂、费用高昂，仍备受研究人员的关注[1-7]。

参照该领域的研究成果，以包神铁路下伏采空区为例，采用相似模拟试验对其破坏过程进行研究，再现采空区对地表变形的影响，总结出铁路路基下伏煤层采空区的分布特征，为开展采空区治理优化设计和施工提供依据。

1 工程概况及试验方案

1.1 工程概况

神华包神铁路运营里程172 km，正线延展长度为263 km，铁路地处低山丘陵区，海拔标高1 401.8～1 325.0 m，相对高差76.8 m，地形切割较为剧烈，沟谷极为发育，基岩裸露，植被稀疏。包神铁路是内蒙古自治区及陕西省优质煤炭的运输线，按国家I级专用铁路设计，原设计输送能力1 000万t/a。沿线存在正在开采和已废弃的煤窑、古煤窑，小型采空区等，采空区分布广泛，引起地表多处变形和采空区塌陷，影响铁路路基的稳定。

为了探明包神铁路沿线采空区的分布状态，2011年对包神铁路沿线采空区开展了物探调查，圈定采空异常地段56处，其中可靠采空区43处，推测采空区13处，有的采空区跨过铁路，有的采空区分布于铁路一侧。其中，示范区C12采空区位于铁路K75+100～K75+600，属于包神铁路北段，开采煤层为4#煤层，采深30～40 m，煤厚2～4 m，属瞬变电磁法解释的“可靠采空区”。

1.2 试验方案

根据示范采空区C12的物探实际煤层厚度及采深，确定采深为35 m、煤厚3 m，采煤方法为采5 m留4 m煤柱的宽巷道掘进出煤方案，进行地表沉陷、覆岩稳定性及相似材料模拟试验。首先根据物探已探测的采空区深度及采出煤层的厚度，观察上覆岩层变形破坏规律；然后采出煤柱，逐步增加采煤工作面的推进长度，观测上覆岩层的“三带”(冒落带、裂隙带及弯曲带)宽度、高度、地表下沉量及顶板岩层垮落角的范围。

2 试验模型建立

采空区模拟试验系统包括相似材料、压力测试装置(BW-5型微型压力盒)和位移场光测装置(XJTUDP三维光学摄影测量系统)。

2.1 相似材料参数

选取硅砂、碳酸钙和石膏等材料，按照规定的抗压强度配比作为骨料，选取水泥、石灰、高岭土、石蜡和配有缓凝剂的蒸馏水溶液作为胶结物。搅拌均匀后，按照模型尺寸进行填装建模。相似材料视密度为1.5 g/cm3，硅砂粒径为50～100目，层间采用云母粉分层，每次装填厚度为5～10 mm。岩体参数见表1，相似材料配比见表2。

表1 岩体材料参数

表2 相似材料配比

2.2 相似材料模型

选用由槽钢和角钢组成的平面模型架，架长2.0 m、宽0.25 m、高2.0 m。依据采空区的范围和采深，确定相似材料配比为1∶100，相似材料模型见图1。

图1 相似材料模型

根据相似材料模型大小和实际精度需求，在煤层顶板上方每5 cm布置1条测线直至地表，在测线上每间隔10 cm布置1个测点，通过测点相对位移来观测地表移动变形及上覆岩层的变形情况。测线由上至下依次编号为0、1、2…，测点由左至右依次编号为1、2、3…。测点及测线布置详见图2。

3 试验结果与分析

掘进出煤的模拟结果见图3～图5。

图2 测点及测线布置

图3 采5 m留4 m煤柱(初采)

因煤层埋藏较浅，上覆岩层重量较轻，且顶板为中硬岩层(中细砂岩)，强度较高。按采5 m留4 m的原则掘进出煤时，在煤柱的支撑作用下，煤层顶板未发生离层，且在横向与纵向均未产生明显裂缝，顶板完好不冒落。

随着煤柱逐步被采出，顶板跨距越来越大，在自重作用下，顶板开始离层产生裂隙，随着工作面不断推进，裂隙逐渐向上发展，原有裂隙不断扩大直至冒落，冒落带长68 m，高17.5 m,见图6～图9。

图4 采5 m留4 m煤柱(逐渐开采)

图5 采5 m留4 m煤柱(开采完毕)

图6 采14 m留4 m煤柱(初采)

图7 采14 m留4 m煤柱(开采完毕)

图8 采32 m留4 m煤柱

当工作面推进长度为95 m时，顶板离层下沉发展至地表，冒落带高22.72 m，裂隙带扩展至地表，地表下沉最大值为3.7 m，见图10。

随着工作面继续推进，冒落带和裂隙带的长度继续扩大，但高度不再增加，地表下沉最大值仍为3.7 m，说明已达到充分采动，地表为下沉盆地，岩层垮落角约为69°。在下沉盆地的边缘和中间，产生裂缝，表明在该部位可能产生地裂缝或塌陷坑，见图11～图13。

图9 采68 m留4 m煤柱

图10 采104 m留4 m煤柱

图11 采140 m无煤柱

图12 采140 m无煤柱模型后部

图13 采完地表变形破坏情况

各测点位移监测结果见图14。可见，线与线间距不均等，表明岩层间存在裂隙，间距越大，裂缝越宽；线上点重合，表明该部位岩层整体下沉；线中间断开，说明此处为冒落区。

图14 测点位移

4 结 论

(1)通过相似材料模型试验，显示采空区对上覆岩层及地表的影响程度与采空区范围、所采煤层的厚度和深度以及煤层顶板的岩性有关。

(2)现场煤层埋藏较浅且顶板较稳定，煤炭采出后由于小煤柱的支撑作用，煤层顶板不易跨落，在采空区上方不会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，对地表影响不大。

(3)采煤工作面达到一定长度后，采出后顶板在自重及上覆岩层的作用下，产生裂隙及离层直至垮落，垮落长度、高度与煤层厚度、工作面长度及顶板岩性有关。

(4)当工作面长度范围大于65 m时，煤炭采出后顶板会发生垮落，在采空区上方形成冒落带、裂隙带及弯曲下沉带；煤层埋藏较浅时，只有冒落带和裂隙带，顶板岩层垮落角为65°～70°。

(5)采空区上方裂隙带或弯曲下沉带发展至地表时，地表变形破坏明显，出现下沉盆地，在下沉盆地的边缘和中部产生拉裂缝，该区域地表可能产生大裂缝或塌陷坑，大气降水通过裂缝渗入采空区或采空区上覆岩层中，降低采空区煤柱或采空区上覆岩层的稳定性。

(6)探测的地下采空区范围已超出引起地表下沉的工作面长度的临界值，从而引起地裂缝或塌陷，可通过采空区注浆减少不均匀沉降量，提高地基岩土体的整体性能。注浆孔宜按梅花形布设，为了不影响铁路的正常运行，可在靠近铁路直孔内插斜孔，实现浆液注至铁轨下部，保证注浆效果。

[1] 陈 龙.高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究[D].太原：太原理工大学，2008.

[2] 张晓君.采空区破坏过程的模拟试验研究[J].金属矿山，2007(8)：215-217.

[3] 张永波.老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4] 李俊平，李向阳.下凹地形下采空区处理方案的相似模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(4)：581-586.

[5] 李向阳，李俊平，周创兵.采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究[J].岩土力学，2005，26(12)：1907-1912.

[6] 任伟中，白世伟，孙桂凤.厚覆盖岩层条件下地下采矿的地表及围岩变形破坏特性模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(2)：3935-3941.

[7] 王进学，王家臣，董卫军，等.矿体地下连续开采顶板崩落相似模拟试验[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25(2)：172-175.

Model Test on Stability of the Surrounding Strata of Goaf Under Railway

Hao Zhe1Li Xilin2Wang Laigui2

(1. Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute;2. College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University)

Taking the goaf under the Baoshen railway as the research example,simulation test is conducted on the stability of surrounding strata of the goaf under railway. The collapse state, location of the goaf, the destruction process, mechanism and caving rule of the surrounding strata of the goaf are analyzed in depth, therefore,the distribution characteristics of the goaf of the underlying coal seams under the railway subgrade is summarized so as to provide the basis for effective governance goaf. Besides that,the research results in this paper can also has the certain value for ensuring the safety of railway transportation.

Goaf, Surrounding strata, Stability, Similar materials, Simulation test

*沈阳市科技局计划项目(编号：F13-165-9-00)；辽宁省教育厅高校科研项目(编号：L2010377)。

2015-01-06)

郝 哲(1972—)，男，教授级高级工程师，博士，110013 辽宁省沈阳市沈河区北京街7号。