大面积深埋采空区对铁路工程建设影响研究

孟文峰

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

1 引 言

随着国家减排降碳方针的持续推进，铁路、水运等节能运输因“公转铁”政策取得较快的发展，作为打通铁路运输“最后一公里”的专用线工程，因其较公路拥有绿色、低廉、高效的天然优势，得到了矿业公司及运输行业的青睐。大面积采空区引起地表沉降、塌陷，对建构筑物的安全运营影响很大。铁路选线原则上应绕避至各类矿区(大面积采空)范围外一定距离[1-2]，不能绕避的应评价现有采空区及未来开采活动的影响[3-4]。目前，中浅层采空区对铁路工程的影响大，相应的研究成果也较多，徐彩风[5]探讨了大面积采空区不同等级铁路选线原则；付仕科[6]等研究了沙午铁路沿线硬岩地层中的采空区顶板稳定性；马亚坤[7]研究了小采深采厚比煤矿顶板的稳定性；张鹤[8]通过工程实例应用了采空区调查及绕避计算方法；尤耀军[9]基于煤矿冒落岩石压力实测数据总结了采空区工作面推进过程中冒落岩层碎胀系数的变化规律；王亚林[10]等通过理论分析、实测数据及灰色模型模拟发现采空区地表移动延续时间与地表不均匀沉降具有密切联系。

2 工程概况

2.1 项目概况

拟建铁路专用线工程长9.372 km，场区属鲁西南黄淮海冲洪积平原区，地面高程介于33.5～36.5 m之间，地形平坦，地势开阔，沿线村落繁多，坑塘沟渠密布，各等级公路往来穿梭，交通十分便利。

2.2 工程地质条件

区内第四系地层全覆盖，主要岩性为砂质黏土及大量棱角状岩石碎块、河砂、砾石组成，厚度为150.8～280.0 m，平均厚度212.0 m。

下伏地层由老到新依次发育有奥陶纪马家沟群，石炭-二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠纪石盒子群，侏罗-白垩纪淄博群三台组。其中太原组和山西组为含煤地层。岩性主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩，其中太原组和山西组为含煤地层。

区内侏罗-白垩纪淄博群三台组中上部普遍发育中生代燕山期侵入岩。

场区内无影响场地稳定性的地质构造。

2.3 不良地质问题

拟建铁路装车站和部分区间线路位于煤矿采空区及其影响范围内。

煤矿采区第四系地层发育，覆盖全区，拟建线路沿线厚度215～235 m，平均厚度226 m，地层以黏土、粉质黏土、砂层韵律沉积。顶板岩层以粉砂岩、细砂岩、中砂岩、泥岩为主，靠近中上部的侏罗-白垩纪淄博群三台组中上部普遍发育中生代燕山期侵入岩，呈岩床分布，岩性主要为灰绿色辉长岩，据井田钻孔资料，拟建线路附近侵入岩床厚度123.6～143.0 m，底板埋深586～843 m，侵入岩层底板至煤层顶面一般大于300 m。

煤矿于2015年投产，目前仍在开采，生产规模为150万t/年，已形成采空范围开采标高-1 260～-960 m，平均采深约1 000 m，开采煤层为山西组内3上煤，采用条带法开采，采区工作面延伸方向为NS～NE之间，与线路走向近垂直，采厚2.4～2.8 m，采深采厚比约300，液压支架机采，顶板管理为完全垮落法。目前井田采区西侧工作面已停采，采区东侧工作面充填开采。

3 场地稳定性理论分析

工程区属于人员密集的鲁西南平原区，矿区内城镇、自然村众多，地质调查发现，采矿活动持续多年时间后，现采空区及影响范围内，没有发现地面沉降及因地面沉降造成的房屋开裂、地面变形等现象，地面无地裂缝、台阶、塌陷坑。根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044—2014)的规定，按照变形特征确定采空区场地为稳定场地。

本场区煤层倾角约8°，采深多大于1 000 m，采深采厚比大于60，属于深层采空区。采空区顶板以泥岩、砂岩为主，软硬岩互层，顶板内存在呈岩床分布的坚硬侵入岩，层厚一般大于100 m，侵入岩层底板至煤层顶面一般大于300 m。

根据三带理论，顶板依次为垮落带、断裂带及弯曲下沉带。煤层开采后，顶板失去支撑垮塌，垮落带岩石碎胀，并最终填满开采空间及垮落岩层本身的空间，其垮落带最大高度Hm可按公式(1)计算

(1)

式中：M为采厚，m，本矿区最大采厚2.8 m，按此取值；k为垮落岩石碎胀系数，研究资料表明碎胀系数随上覆压力增大而减小，并稳定在1.02附近；α为煤层倾角，°，据采掘图煤层底板等高线求得约8°。

代入式(1)求得垮落带高度

Hm≈141 m

厚煤层开采后，断裂带最大高度可按公式(2)计算

(2)

计算得出

HIi≈33.4 m

计算可知垮落带与断裂带厚度之和174.4 m，断裂带与地表之间的距离大于800 m，距离地表远；两带厚度小于坚硬侵入岩床与煤层顶板距离，岩层垮落碎胀后填满了开采空腔及垮落岩层本身空间，岩床致密坚硬，厚度大于100 m，可有效地调整地应力的分布，起到托板[11]的作用；第四系盖层厚度大于200 m，对抑制非连续变形向地表发展也可起到很好的正向作用。多因素综合作用下，地下采空对地表影响小，地面只产生微小下沉。

4 模拟分析

midas GTS NX是为能够迅速完成对岩土及隧道结构的分析与设计而开发的“岩土隧道结构专用有限元分析软件”，能够提供完全的三维动态模拟功能。采用本软件模拟煤矿开采后地表沉降变形特征。

4.1 三维模型的建立

建立如图1、图2所示的三维岩土有限元模型。模型在x轴、y轴、z轴向的尺寸分别为3 520 m、4 000 m、1 410 m。地层由上至下分别为第四系覆盖层、岩层、煤层、岩层。

图1 三维有限元模型

图2 采空区、铁路荷载及集装箱荷载作用

4.2 计算基本假定

(1)土体结构等均按照各向同性计算；

(2)岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，结构体均采用线弹性本构模型；

(3)土体与铁轨结构节点位移耦合；

(4)迭代计算方法采用Newton-Raphson法；

(5)收敛标准采用力和位移双重收敛标准。

4.3 模型材料参数

根据地质特征确定模拟中岩土体和结构的参数如表1所示。

表1 数值模拟参数表

4.4 计算结果及分析

由模拟结果可知。

(1)煤层开挖后的地面沉降呈对称形态，垂直开采条带长轴方向，由中心向外沉降值逐渐减小，中心最大沉降约为54.81 mm；沿采空区长轴方向，地表变形呈均匀沉降。铁路轨道模拟沉降最大为3.93 mm，变形值微小。

(2)拟建线路为货运线路，设计行车速度40 km/h，采用有砟轨道，路基工后沉降可通过补充道砟的方式纠正变形，对铁路的安全运营影响小，符合铁路专用线沉降要求。

(3)模拟铁路下采煤过程与实际工程有区别，本工程系采后建设，地表活跃期已基本结束，地表下沉大部已经完成，铁路建设期剩余下沉量小，实际对铁路工程安全影响更小。

5 监测数据分析

数值模拟因建模对象的尺度效应、各向异性及非线性等众多因素，不能完全反应真实事件的发生过程，模拟数值必然和实际存在差异。沉降监测是反映地表变形与地下采空相互作用的结果，分析变形特征、查明变形所处阶段，评价场地稳定性的直接手段。据场区内煤矿公司提供了自2016年4月12日～2020年5月18日地表变形监测资料，选取有代表性的C32、C40、D31、D49、M13、M31、N15、XZ5号地表监测点进行沉降分析，涉及的采空区工作面分别编号为1307、1309、2311、2313、5302、5307综采工作面，各综采工作面的基本情况见表2。

表2 各综采工作面基本情况

整理长达4年的监测数据，选取采空区内代表性监测点，绘制地表沉降随时间的变化曲线。

由监测资料可知。

(1)沉降在平面上呈中间大外围小的“碟形”，最大沉降点位于2311和2313开采面连通开采区域几何中点附近，第二沉降中心位于整个采区几何中心位置附近。下沉值向两侧逐渐减小，并继续向采空区外侧扩展，采区西侧移动盆地边缘距1307工作面水平距离约701 m(对应下沉10 mm确定)。

(2)采空区同一条带上不同点位沉降差异较大，靠近端部的监测点如N15和M31沉降微小；越靠近采区中部的监测点如M13和D49等沉降逐渐变大。

(3)D31和M13监测点所在工作面，吻合条带开采条件，地表最大下沉值分别为120 mm和49 mm。横向对比发现，由于D31距2311和2313开采面连通开采区域最近距离仅458 m，且相对更接近整个采区几何形心，导致D31下沉值明显增大。

(4)最大沉降点位于2311和2313开采面连通开采区域几何形心位置附近，该区域2313和2311顺序开采，开采宽度达400 m，已接近长臂开采，顶板受重复采动影响，地表沉降值相对较大，最大下沉系数0.115，而其他开采条带最大下沉系数均小于0.063。表明合理确定开采带宽及剩余煤柱宽度，是遏制变形向地表发展的关键措施。

(5)规范[12]计算地表移动延续时间T=1 822 d，而监测点下沉曲线表明，地表移动延续时间均短于15个月，表明条带开采可以显著缩短地表总移动期，有利于场区内作为建设场地的后续开发。

6 结 论

对大面积深埋采空区，当顶板岩层内存在大厚度坚硬岩层，采用条带开采法，控制条带开采的宽度，可以有效的遏制采空区顶板岩层冒落、断裂向地表发展，地表下沉系数小，下沉量微小，可有效地减小对地表建筑物造成的危害；实际观测的地表移动延续期短于15个月，远低于规范理论公式计算值，表明该条件下地表变形可较快达到稳定，有利于采空区重新作为建筑场地进行后续开发。

综上所述，该场地适宜铁路工程建设。