煤矿采空区拟建铁路选线区地基适宜性分析研究

，，

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.江苏建筑职业技术学院 能源与交通工程学院，江苏 徐州 221116)

随着我国铁路建设的飞速发展，选线对地基可靠性要求愈来重要。由于线路对线型、坡比、弯度的特殊要求，过去采用避绕式躲开煤矿采空区的方法在经济发达地区已无法使用[1]。对于线路邻近或跨越煤矿采空区，已成为国内铁路建设中建设方决策的难题。对采空区的地表变形理论研究最早开始于 1838 年，比利时工程师哥诺特提出“垂线理论”，自此以后一系列新理论应运而生[2，3]。例如：Gonot的“法线理论”，裴约尔的“拱形理论”，Schmitz、Keinhorst、Bals等相继研究了开采硬性的作用面积，提出了连续影响分步的影响函数。刘宝琛[4]、何国清[5]等在这些理论的基础上采用概率积分法研究了不同介质条件下煤层开采地表沉降变形问题。 我国投入了大量的人力、物力、财力对地下采煤引起的开采沉陷，地表塌陷，建筑物地基稳定性评价等问题进行了科学研究分析，并取得了丰硕的实际经验和科研成果，为开展建筑物下采煤、建筑物的保护以及采空区地表移动变形预测奠定了坚实的基础[6-10]。

徐州是我国煤炭资源的重要产地，大小煤矿星罗棋布，不同年代形成的采空区随处可见[11]。对于老采空区自身的稳定性、采空“活化”及地层动环境等多因素，都是影响上覆线路选线地基稳定性的影响因素，若只考虑单一因素分析会存在适宜性误差。徐州符夹线扩能及新建客车联络线长4.264km，跨越徐州矿务局义安煤矿、夹河煤矿井田及华润天能集团大刘煤矿井田及其开采影响区。

为保证夹河寨疏解线工程的建设和后期运营安全，本文根据夹河矿、义安矿、大刘矿采煤和开采沉陷观测研究资料，构建地质三维模型进行数值模拟计算，通过采空区残余沉降变形分析，重点研究符夹线夹河寨疏解线不同开采历史条件下地表残余变形量值及其时空变化规律，综合分析评估了其拟建线路区的适宜性。

1 采空区稳定性评价方法

1.1 采空区对选线区的影响

煤矿采空区随时间的变化，会打破原有的地层应力分布形态，采空区上覆修建构筑物、铁路、公路、邻近矿区采动、地下水变化、地震活动等，都会进一步加剧地层应力分布形态，使采空区“活化”，其表现为地表漏斗式下沉、地层沿断面或层面滑动，甚至地面大范围塌陷。采空区对地面交通线路的选线勘察工作至关重要，从而评价线路的适宜性并提出防治措施。

在采空区上覆区域进行铁路勘察选线，首先也充分了解区域煤矿地质概况等基础地质资料，其次了解矿山地质报告、采区平面图、井上井下对照图等开采情况资料，再次收集采空区已有铁路、公路工程的施工及处治资料等，采空区的沉降、变形观测资料等。充分进行采空区文献调查、勘探，必要时结合地震勘察、地质钻探等方法进行详细的勘测及核实，为铁路安全范围的确定、处治设计提供必要的数据。

1.2 场地建筑适宜性评价依据

关于煤矿采空区场地的勘察，煤矿采空区岩土工程勘察规范(GB 51044—2014)、岩土工程勘察规范(GB 50021—2017)、铁路工程不良地质勘察规程(TB 10027—2012)、铁路工程特殊岩土勘察规程(TB 10038—2012)和《岩土工程手册》都将该问题以正式条文提出来[12，13]，目前勘察方法、评价依据主要有：①收集采空区场地及井下采掘工程平面图、地形地质图等；②工程物探；③钻探；④地区开采沉陷经验；⑤室内试验；⑥数值模拟研究。

目前行业常以地面建筑物(或构筑物)的容许变形值作为标准来评价建筑物(或构筑物)稳定性和场地适宜性，所以计算容许变形值(包括地面既有沉降、预测沉降)的依据是场地勘察工作前期资料和拟选线的适宜性判别。

2 工程概况及采空区特征

图1 线路与周边矿井的相对位置示意图

图2 建线路场地下及附近采空区分布图

采空区与拟选线路区段相对位置如图1所示，拟建线路场地下及附近采空区分布如图2所示，采空区在地貌上属华北平原黄河冲积平原，地势平坦，地形起伏较大，场地内以第四系松散堆积物及二叠系、石炭系、奥陶系的基岩为主。自上而下主要为亚黏土、粘土、粉砂、亚砂土，以亚粘土、粘土为主，基岩以页(泥)岩、砂质页(泥)岩为主，夹薄～中厚层砂岩，底部常为一层含砾粗砂岩。采空区内具有破坏性的断层有F10逆断层，NE走向，倾向SE，落差200m左右和F9正断层，NW走向，倾向SW，落差约80m。义安煤矿自1972年投产，至2005年-700m以上煤层的开采基本结束。夹河煤矿自1969年投产。大刘煤矿自1981年投产。区域内顶板为灰岩，其上覆的岩层冒落垮塌，自下而上形成冒落带、裂隙带和整体弯曲带，导致部分地表建筑物沉降变形，甚至产生地面裂缝。区域内地下开采煤层为2#、7#、9#及21#煤层，范围在+23～-700m之间，其中2#、7#、9#厚度分别为1.77m、4.35m、1.32m。局部煤层沿走向露头变薄未采，回采率约为82%。拟选线路场地下及附近采空区分布如图3所示，图3中填充区域分别对应2煤、7煤和9煤的位置。

将结合采空区与拟建铁路线路区段位置关系及地质资料，进一步计算分析采空区地面塌陷发生和发展规律。

3 拟建铁路线路场地变形分析

拟建场地下部分布有多层采空区，由于未进行系统的地表沉降变形监测，因此，无法直观确定各区域具体的地表变形量。本文依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及徐州矿区的地表变形部分实测资料，采用概率积分法理论计算模型计算拟建场地的地表变形[14]。

拟选线铁路线路区内对线路有影响的义安煤矿、夹河煤矿和大刘煤矿，分两个区域进行预测计算，区域划分为：K84+300至K85+600南北500m范围内、DK82+100至DK83+700东西500m范围内。

两个计算区域涉及的三个采空区域分别为义安煤矿开采区域、夹河煤矿开采区域及大刘煤矿开采区域；四个时段分别为2014年8月底前、2019年8月、2024年8月、2044年8月。

3.1 概率积分法

概率积分法的计算方法如下：

矩形工作面开采时地表任意点下沉预计，在倾斜煤层中开采某单元i，按概率积分法的基本原理[12]，单元开采引起地表任意点(x，y)的下沉(最终值)为：

We0i(x，y)=(1/r2)·exp[-π(x-xi)2/r2]·

exp[-π(y-yi+li)2/r2]

(1)

图3 拟选线路场地下及附近采空区分布图

式中，r为主要影响半径，r=H0/tanβ；H0为平均采深；lⅠ=HⅠ·cotθ；θ为最大下沉角；(xi，yi)为i单元中心点的平面坐标；(x，y)为地表任意一点的坐标。

设矩形工作面开采范围为：0～p，0～a组成的矩形。

地表任一点的下沉为：

(2)

式中，W0为走向和倾向均达到充分采动时的地表最大下沉值；W0(x)为倾向方向达到充分采动时走向主断面上横坐标为x的点的下沉值；W0(y)为走向方向达到充分采动时倾向主断面上横坐标为y的点的下沉值。

在地表达到充分采动时，各变形最大值可分别用下式计算：

地表最大下沉值：

W0=mqcosα

(3)

最大倾斜值：

I0=W0/r

(4)

最大曲率值：

最大水平移动：

U0=bW0

(6)

最大水平变形值：

ε0=∓1.52bW0/r

(7)

式中，q为下沉系数；m为煤层厚；b为水平采动系数。

3.2 地面变形计算

3.2.1 参数选取

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及徐州矿区开采经验，综合考虑采空区回采情况，考虑覆岩岩性，选取计算参数见表1。

表1 地表总沉陷预测计算参数

注：α为煤层倾角；H为工作面平均采深。

3.2.2 地面变形量计算

拟选铁路线路所穿过的下断层形态与岩层的工程地质特征组合会在一定程度上减小或减缓地下开采对地面变形的影响。本次开采沉陷预测按不利因素考虑断层对地表变形的影响。从现状地面变形量计算可知拟建铁路线路上已经发生的变形最大值，具体见表2。

表2 拟建场地采矿影响区的最大地表变形值(截止至2017年8月)

注：计算范围为疏解线穿越的三矿井已采区域。

3.3 残余地面变形计算

3.3.1 计算方法

1)残余变形的下沉计算。残余变形预测模型计算参数根据概率积分法中原有地表移动变形参数进行计算，当充分采动时引入下沉系数q。残余变形阶段的水平移动系数基本不变，下沉系数及主要影响角与时间呈负指数函数关系，残余地面变形的计算公式如下：

q=ae-bt

(8)

式(8)中a和b表示为：

(9)

(10)

主要影响角正切的计算公式为：

tanβ=ae-bt

(11)

式(11)中a和b表示为：

(12)

(13)

式中，D为工作面宽度，m；H为采深，m。

2)残余变形与时间的极值关系。上述残余地面变形计算值为潜在最大残余变形值，即老采区活化后岩层所有不良地质条件被压实所产生的沉降。选择岩体开尔文模型推导本构方程和蠕变方程可得，残余变形与时间关系式：

Wc(x，t)=Wc(x)(1-e-λt)

(14)

式中，λ为时间影响参数，与岩体的岩性参数、开采条件、活化条件有关；Wc(x)为残余下沉的潜在最大下沉值。

3.3.2 残余沉降变形计算结果

拟选铁路区域场地残余变形计算结果详见表3。

由于拟建线路东南侧有新近开采的工作面，拟建线路地表残余变形较大，拟建场地采矿影响区的最大地表残余变形值参见表4。

表3 拟建场地采矿影响区的现状最大地表变形值

注：计算范围为疏解线穿越的三矿井已采区域。

表4 拟建场地采矿影响区的最大残余地表变形值

注：计算范围为夹河矿、义安矿及大刘矿采空区。

4 采动对拟建线路采空区场地地表沉降数值计算

4.1 模型建立

根据煤矿井田边界与采空区分布建立FLAC3D模型，分析煤层开采地表垂直位移，得到煤层开采地表移动规律，确定疏解线位置。模型走向长3500m，宽度3300m，高度665m，地面标高为+15～+23m。对模型底板施加水平和垂直约束，地表为自由边界。基于现场实际和计算简化需要，对煤层进行依次整层开挖，分别模拟计算煤层单独和叠加开挖造成的地表沉降。数值计算模型及煤层赋存层位置如图4所示。

图4 数值计算模型

4.2 数值计算分析

对煤层进行开挖，模型运行平衡后得到地表沉降量变化如图5所示。由图5看出回采范围内出现明显下沉，由采空区区域向非含煤层区域垂直位移变小，对应地面沟谷位置，下沉云图出现拐点。地表下沉量与开采煤层数有明显正相关性。

根据模拟计算，得到不同沉降区域的地表下沉量见表5。

表5 地表沉降量变化与累积量

图5 不同煤层开采地表累计沉降量(mm)

由表5可知，2煤层开采对应的沉降区在义安和夹河煤矿，其最大沉降量为1260mm和1180mm；而7煤层在三个煤矿均进行开采，但由于工作面布置与2煤形成叠加开采，造成局部区域出现非连续变形(盆底位置与沉降极值出现非连续性)，1区域沉降量明显增加，累积量为840mm，此时2区域煤层开采完毕，采空区变形已基本稳定；在9煤层开采阶段，2区域稳定不会再发生沉降，1与3区域沉降增量分别为700mm与320mm，总计形成4个沉降盆地，为失稳区。

5 结 论

煤层开采会产生较大的地表移动和沉降变形，后期伴随着的较小的残余变形，因此，在采空区影响范围内新建铁路线路需要综合考虑其地表变形量的大小和范围，选择合适的建设场地。

1)根据理论计算地表沉降变形和残余变形对比，残余沉降变形只占总变形的2%左右，残余水平变形占总水平变形不到1%，可知，残余地面变形较小，对线路场地影响不大。

2)根据数值分析结果可知，1区由于三层煤的不同时开采，会产生较大的累积变形，因此，在进行拟建铁路线路场地选址时，应注意1区地表沉降的时空影响，不影响工程建设。

3)拟建线路可分为三段，第一段邻近义安和大刘煤矿分界段，采空区稳定但有一定量的残余变形量，为相对稳定区；第二段为大刘和夹河煤矿井田交界线，该区域相对稳定，但仍存在一定量的剩余变形。此两段区域均为相对稳定区，残余变形量能满足铁路建设的沉降要求，满足拟建铁路设用地。三个煤矿包围区域为煤矿未开采区，其地表不受采动影响，为稳定区域，该区域适宜于拟建线路，因此，在拟建线路场地影响区域内在不发生新的开采情况下，疏解线拟建线路的建设场地总体是适宜的。