某煤矿采空区安全廊道稳定性分析

张劳恩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

焦作市位于河南省西北部，境内煤炭资源丰富。某规划建设的城际铁路从焦作市东部通过，铁路走向为近南北向。该区域内的煤矿主要有方庄煤矿、冯营煤矿、白庄煤矿、九里山煤矿、古汉山煤矿等，且大部分煤矿仍有开采活动。为减少占压煤炭资源和保证铁路安全运行，规划的铁路线位已对大部分煤矿区域进行了绕避，但古汉山煤矿和九里山煤矿东西相连，范围巨大，线位难以完全绕避。目前，发现在两矿之间存在一处正断层形成的狭长地堑区域(见图1)，在该区域内，古汉山煤矿和九里山煤矿均未对煤炭资源进行开采，但其东西间距较窄，需对该安全廊道的稳定性进行分析，以确保铁路的运行安全。

图1 安全廊道位置示意

已有许多学者对铁路通过采空区的问题进行了相关研究。李传宝等认为，采用桩板结构可有效控制采空区内的路基变形[1]；梁玉等对宜宾地区的采空区进行了勘探，得出了路基挖方形式优于隧道形式的结论[2]；另外，郝登云等研究了煤层回采巷道失稳机理及其控制[3-4]；郭庆彪等基于云模型与模糊层次分析，对老采空区建设场地的稳定性进行了评价[5]。以下基于前人的研究方法，采用现场调查、钻探、物探和数值模拟相结合的综合勘探方法，对某煤矿采空区安全廊道的稳定性进行分析。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

修武以北至方庄以南广大区域为冲积平原区，地势平坦开阔。表层为第四系全新统硬塑状粉质黏土、粉土，厚2～20 m，下部为粉质黏土、细砂，工程地质条件一般，局部存在地震液化层。方庄以北至云台山车站为山前倾斜平原区，地形较为平缓，北侧为低山丘陵，地形起伏较大，局部地带有交接洼地和岗地分布。

2.2 地层岩性

该区域表层为第四系全新统粉质黏土，厚2～8 m，软塑-硬塑；其下为粉土、细砂层，稍密-中密，厚5～15 m；下部为卵石土、粗圆砾土。底部分布有二迭系砂质泥岩、细砂岩；石炭系灰岩、砂质泥岩、煤层；奥陶系中统灰岩、白云岩等。

2.3 地质构造

区内主要构造体系为新华夏构造，其次为纬向构造带及北西向构造带。这些构造带中，近期有明显活动的为新华夏系，其次为纬向构造带及北西向构造。区内地表大部分被第四系地层所覆盖，自燕山期以来，各构造以多期活动的高角度正断层为主。主要断裂有薄壁断裂、九里山断裂、百泉断裂、新乡-浴河断裂、凤凰岭断裂等，对工程影响较小。

2.4 水文地质特征

研究区域地处太行山冲洪积扇群的前缘，多为松散冲积物覆盖。地表水有新河，由西向东流经勘探区南部。地下水主要有碳酸盐岩类岩溶裂隙水，碎屑岩类砂岩裂隙水，第三系、第四系冲积层孔隙水。主要隔水层有第三系和四系底部的黏土层、煤层及灰岩。

3 煤矿开采情况

3.1 主采煤层

区域内主要含煤地层有：二叠系下统山西组和石炭系上统太原组砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩和煤层，厚度为50～70 m。可采煤层主要位于二叠系下统山西组，厚度为4～8 m。煤系地层向南东缓倾，呈单斜构造，倾角为10°～16°。

3.2 开采方法

采煤方法为走向长壁顶板全陷落法。由于煤层较厚，采取分层开采方式[6-8]，分层高度为2.3～2.5 m，并根据煤层厚度的变化分2～3层进行开采。

3.3 拟建铁路附近煤层开采状况

拟建铁路线位于九里山矿与古汉山矿之间的地堑区域。线路西侧为九里山矿13采区、15采区，东侧为古汉山矿14采区、16采区。开采顺序均为自北向南，其中线路西北侧九里山矿13 采区大部分煤炭资源已基本采完，采出煤层厚5～7 m，采深200～450 m，线路西南侧九里山矿15 采区仅对上分层进行了开采，采出煤厚约2.5 m， 采深450～500 m。线路东北侧古汉山矿14 采区大部分煤炭资源已基本采完，煤层厚5～7 m，采深150～300 m；线路东南侧古汉山矿16采区仅对上分层进行了开采，采出煤厚约2.5 m，采深300～450 m。评估范围内已开采区域如图2所示。

图2 评估区已开采范围示意

4 地表变形预测

4.1 地表变形模型

由焦作矿区已有的地表观测资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》可知，该区域的地表变形规律符合概率积分法模型的基本特征。因此，可采用概率积分法预计模型对该区域的地表变形进行概化分析[9-11]。

(1)地表任意点下沉计算

根据概率积分法的基本原理，对于矩形开采工作面，倾斜煤层中某开采单元引起地表任意点Q(x，y)的下沉值为

We0i(x，y)=(I/r2)×exp(-π(x-xi)2/r2)×

exp(-π(y-yi+li)2/r2)

(1)

式(1)中，r为影响半径(r=H0/tgβ)；H0为平均采深(li=Hi×ctanθ)；θ为下沉角；β为影响角； (x,y)为地表任意一点Q的坐标。

地表任意点的变形量(垂直方向)为

(2)

式(2)中，W0为最大变形值(为mqcosα)，其中，q为变形系数；P为开采面走向长；a为开采面在倾斜方向的水平距离。

式(2)可简化为

(3)

式(3)中，W0为充分采动时地表最大变形值；W°(x)为充分采动时主断面上横坐标为x点的变形值；W°(y)为充分采动时主断面上横坐标为y点的下沉值。

由式(1)～式(3)，可推导出地表任意点Q(x,y)的移动变形值。可通过对单元下沉盆地求方向导数，然后在整个工作面上进行积分求解。

(2)多开采面影响叠加

根据叠加原理，对单个工作面开采引起的地表下沉进行叠加，即可获得多工作面开采的联合影响。

4.2 地表变形计算

现状开采条件下，截止至收集资料时间为止，按考虑断层的抑制作用，对已开采区域所形成采空区引起的地表总沉陷变形量进行计算[12-15]，地表变形预测结果如图3所示。

图3 评估区地表沉降等值线(单位：mm)

由图3可知，评估场地位于九里山矿塌陷盆地与古汉山矿塌陷盆地的边缘叠加区域，该区域内，受断层的抑制作用，地表变形呈现出两侧大、中间小的形态。其中，两条断层所夹区域西侧的最大变形量达到了400 mm，东侧的最大变形量为40 mm，中间区域的变形量较小，一般为2～20 mm。

5 安全廊道稳定性分析

5.1 路基下沉的附加影响

如果采动导致路基的过量下沉，路基将会发生沉陷破坏，参考《铁路路基设计规范》，对路基工后沉降的规定为：Ⅰ级铁路不应大于20 cm，路桥过渡段不应大于10 cm，沉降速率均不应大于5 cm/a。根据数值模拟的分析结果，在采动过程中，部分区域的地面沉陷很容易超过这个限制。因此，需要对采空区影响范围内部分路基进行处理。

5.2 安全廊道稳定性分区

考虑地表变形的稳定程度受煤层厚度、埋深、开采方式、形成时间等多种因素的影响，按稳定程度将评估场地共分为三个大区(见图4)。

(1)稳定区(绿色)：该区域位于线路西北侧靠近矿界的煤层露头处，无开采活动，未来开采的可能性小，也不受周围采空区影响。该区域适宜作为拟建铁路场地，可不考虑加固措施。

(2)基本稳定区(黄色)：该区域主要位于线路西北侧九里山矿13采区与东北侧古汉山矿14采区老采空区影响范围内，该区域内的大部分煤炭资源已基本采完，且开采时间较长，采空区已基本稳定，地表变形已基本结束，已进入残余变形阶段。该区域作为拟建铁路场地基本适宜，应采取必要的加固措施。

(3)稳定性差区(红色)：该区域大部分位于线路西南侧九里山矿15采区、13采区部分工作面与线路东南侧古汉山矿16采区、14采区部分工作面采空区影响范围内，该区域仅对煤层上分层进行了开采，且开采时间较短，地表变形仍处于活跃期，采空区上方地表下沉量的变形速率大于50 mm/月。且该区域还可能遭受煤层下分层开采的影响，地面变形会进一步加剧。该区域不适宜作为拟建铁路场地。

图4 评估区地表稳定性分区

6 结论及建议

(1)受地质构造控制，该铁路沿线采空区间存在有尚未开采的条带状廊道，通过现场调查及数值模拟，认为在现状条件下，安全廊道多属基本稳定场地，在采取适当措施后，可以进行铁路建设。

(2)采空区及周边地表变形形式复杂，对铁路运营安全影响很大，需对其引起的安全隐患有足够的重视。建议采取以抵抗变形为主的工程措施，并建立地面变形监测预警系统，以确保铁路的运营安全。