铁路通过煤矿采空区的地质选线及稳定性评价
2015-03-12王旭
王 旭
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)
Geological Route Selection of Railway in Goal and its Stability Evaluation
WANG Xu
铁路通过煤矿采空区的地质选线及稳定性评价
王旭
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)
Geological Route Selection of Railway in Goal and its Stability Evaluation
WANG Xu
摘要总结小煤窑采空区的稳定性评价标准及处理措施，结合工程实例，提出大面积采空区的稳定性评价应根据地表位移实际监测结果进行判断的建议。
关键词地质选线采空区稳定性评价
在近年来的铁路勘察设计中，西部地区的包西线、西平线、银西线等都不同程度的遇到了采空问题。结合铁路工程实例，对铁路通过采空区的地质选线、评价标准进行探讨。
1采空区的特征及分类
煤矿采空区为煤层(巷道)开采后在地面以下形成的空洞，根据不同的分类标准可分为不同的种类。一般情况下，将采空区分为小煤窑采空区及现代大面积采空区(见表1)。
表1 煤矿采空区的分类及变形特性
2采空区铁路地质选线原则及一般流程
采空区地质选线的核心是解决采空区引起的地表塌陷、变形问题。
选线原则可总结为在经济、合理的条件下，避免地表变形、塌陷对铁路工程造成失稳或破坏。
在此原则下，可通过两种途径解决选线问题。①线路绕避采空区，选择地表安全范围内通过。②线路通过采空区，评价其稳定性，采取一定的工程处理措施，确保铁路运营安全。
3采空区外选线
3.1 采空区安全距离的确定
绕避采空区，需首先确定其安全避让距离。对大面积采空的安全距离确定，业内普遍采用移动盆地法确定，即根据采空区上覆地层的岩移角，确定移动盆地的边界，再根据铁路对沉降控制的要求，确定安全距离。
(1)
式中h1———第四系覆盖层厚度；
h2———采空顶板以上基岩厚度；
φ———第四系覆盖层移动角；
δ—基岩移动角。
根据公式确定移动盆地边界，铁路基础边界与移动盆地边界应设置一定的安全维护带。
图1 大面积采空区安全距离计算
小煤窑采空区由于其自身的特点，不会形成移动盆地，一般形成裂缝及塌陷坑。小煤窑采空的地表变形范围一般根据底边裂缝、塌陷等特征调查测绘圈定。当地表尚未出现裂缝或裂缝尚未达到稳定阶段时，可参考同类型小型采空区的裂缝角用类比法确定。
3.2 岩移参数的选取
煤矿采空区地表移动盆地边界的岩角参数是移动盆地上某边界点至采空区边界的连线与水平线在煤柱某一侧的夹角。
地表移动盆地可划分为三个边界。(1)地表变形边界：即地表变形为零的边界，该边界对应的岩移角是边界角，在具体实践中通常以垂直变形小于10 mm外侧边界对应岩移角作为边界角。(2)危险移动边界：该边界是地表变形对建筑物有无危害而划分的边界，所对应的岩移角为移动角，具体标准为地表倾斜值i≤3 mm/m；地表曲率K≤0.2×10-3mm/m；水平变形ε≤2 mm/m。(3)裂缝边界：该边界是移动盆地内出现的最外侧裂缝边界，所对应的岩移角是边界角。
上述岩移参数均需要实际测量确定，在铁路选线时可收集煤矿测量资料或经验资料确定岩移参数。
李国和等人的研究表明，对于一般普速铁路，可采用移动角来计算安全距离，而对于高速铁路，移动角的地表曲率临界值不能满足高速铁路设计的要求，需采用边界角带入公式(1)计算[2]。
4采空区内选线及工程设置
当采空区无法绕避时，需对采空区进行稳定性评价，提出合适的工程形式及处理措施。
4.1 小煤窑采空区的稳定性评价及处理措施
(1)小煤窑采空区稳定性评价标准
小煤窑采空由于采空宽度较小，顶板自稳性优于大面积采空。《铁路工程地质手册》[3]根据采空区上部荷载及岩体自身重力与周边围岩侧摩阻力平衡的平衡状态，确定采空区顶板岩层稳定的临界深度为
(2)
式中H0——顶板稳定的临界深度/m；
2a——巷道宽度/m；
γ——上覆岩层重度/(kN/m2)；
φ——岩层内摩擦角/(°)；
R——建筑物基地压力/(kN/m2)。
当R=0时，即采空区地表无附加压力，H0为采空顶板岩层的自稳的临界深度。
取巷道宽度2a=4 m，取常见岩石内摩擦角的经验值φ=50°，取铁路活载R=150 kN/m2。计算得H0=30 m。铁一院根据阳涉铁路、神延铁路等采空区评价治理实践经验提出了评价标准：顶板基岩厚度小于30 m时，采空区地表可能产生陷落、垮塌，所有工程均需处理; 顶板基岩厚度30～60 m，采空区地表可能发生变形或产生轻微裂缝，对变形要求高的重点工程需处理; 顶板基岩厚度大于60 m时，采空区地表基本稳定，一般工程可不做处理，重点工程需进行稳定性分析，综合考虑。这与公式(2)计算结果基本一致。
包西铁路增建二线的实践中，进一步验证了该评价标准。包西铁路常兴煤矿，澄河矿区长宁河煤，属小煤窑采空区，采空区埋深150 m，线路以路基通过，设计时未采取处理措施。2010年通车运营以来，未见病害。
(2)小煤窑采空的处理措施
小煤窑采空区一般埋深较浅，为采空区处理提供了可能。神延铁路，包西铁路增建二线对埋深小于60 m的小煤窑采空采取了钻孔灌注黄土水泥浆处理。桥梁、路基工程施工前应先进行处理，再进行基础施工；隧道工程应先进行洞内物探、有针对性的钻探，确定隧道基底的采空区空间分布特征，再进行灌浆处理。上述铁路通车后运营安全，证明了处理措施的有效性。
4.2 现代大面积采空的稳定性评价
现代大面积煤矿采空区开采面积大、回采率高、开采深度大，地表形成移动盆地。一般认为在移动盆地外的地表变形对工程影响极小，可忽略。在移动盆地内，地表变形是不可抗拒的，地表变形随时间累积逐渐变小，最后变形终止。《铁路工程地质手册》[3]总结了移动盆地地表下沉时间与采掘深度的关系(如表2)。
表2 移动盆地下沉时间与采掘深度关系
实际上，移动盆地地表下沉与多种因素有关，并非符合表2所列的工况时，就能保证地表建筑物不受损害，应根据实测地表变形来判断移动盆地是否稳定，当地表“变形—时间”曲线收敛时，地表变形可视为终止。
长武—安华煤运专用线通过亭南煤矿111、113工作面，采空区顶板岩层为侏罗系泥岩，开采深度约400 m，采厚5～6 m，采用综采放顶煤方式开采，2008年12月开始回采(如图2)。
图2 安华煤运专用线通过采空区示意图
煤矿于2010年开始地表变形监测，选取线路附近M监测线的代表性点作累积沉降量—时间曲线(如图3)。
图3 亭南煤矿采空区沉降-时间曲线
各监测点自2010年至2012年间，地表沉降速度未见减小，且呈加速趋势，地面沉降未见终止趋势，最大累积沉降量已达到250 mm。该方案通过采空区不成立，需另行选线。因此不能按照表2所列的工况确定采空区地表下沉是否终止，而应按照地表位移实际监测情况评价地基的稳定性。
西平铁路DK130+000～DK131+100段通过下沟煤矿ZF2801、ZF2803两个工作面。采空区顶板为侏罗系砂岩夹泥岩，开采深度360～380 m，采厚约7.5 m，采用长臂综合机械化放顶煤方式开采，回采时间2005年9月至2006年1月，煤矿于2005年10开始地表变形监测(如图4)。
图4 西平铁路通过煤矿采空区示意
选取代表性监测点作累积沉降量—时间曲线(如图5)。
图5 下沟煤矿采空区沉降-时间曲线
图5曲线随时间推移趋于收敛，揭示地表变形速度逐渐较小，直至变形终止。该段线路最终选定通过采空区及其影响范围。线路的工程设置涉及桥梁、隧道及路基工程，对隧道采取了加固措施，桥梁采取简支结构。2013年西平铁路通车运营，至目前为止未见明显病害。
通过安华煤运专用线选线及西平铁路安全运营的实例可以得出，对大面积采空的稳定性评价应根据地表位移实际观测成果确定，当沉降速度逐渐减小，沉降曲线趋于缓和时，普速铁路可以通过采空区，反之则需绕避。高速铁路需根据工后沉降要求，进行专门研究。
5结论
(1)煤矿采空区可分为小煤窑采空区和现代大面积采空区。
(2)大面积采空区的安全距离应根据移动盆地的岩移参数确定。普速铁路采用岩层移动角，高速铁路采用岩层边界角。
(3)一般情况下，深度大于60 m的小煤窑采空区无需处理，重点工程需个别论证。
(4)大面积采空区的稳定性评价需根据地表位移观测结果确定。
参考文献
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中图分类号：P642
文献标识码：B
文章编号：1672-7479(2015)03-0054-03
作者简介：王旭(1985—)，男，2009年毕业于北京交通大学地质工程专业，工学硕士，工程师。
收稿日期：2015-01-27
