榆樹灣煤礦采空區對包西鐵路增建二線的影響評價

魏州泉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概況

包西鐵路大保當至張橋段正線全長561.644 km,是包柳通道的組成部分,也是連接京蘭通道、陸橋通道的西北地區路網骨架的重要組成部分,在全國鐵路網中的地理位置極為重要。2007年11月25日包西鐵路開工建設。

榆樹灣煤礦位于包西鐵路大保當車站至曹家伙場車站之間,勘測階段及包西鐵路增建二線開工前與地方政府接觸時,該煤礦未獲得開采許可證,屬于規劃煤礦。后榆樹灣煤礦于2008年9月通過驗收,2008年12月30日取得煤礦開采證,煤礦于2008年4月提前投入生產,到該煤礦開采至包西鐵路增建二線下部,導致地表嚴重變形時,附近的田家灣大橋主體工程已經完成90%,前后路基已經基本成形,部分地段已經完成人工鋪軌,鐵路繞避該煤礦采空區必須改線,這將導致大量的廢棄工程,浪費嚴重,且該區屬毛烏素沙漠邊緣地帶,地表覆蓋厚層風積沙,如果改線須以深路塹形式長距離通過風積沙地段,這在技術上是不可行的,否則將留下嚴重隱患。通過技術、經濟比較后決定,包西增建二線仍以原方案通過榆樹灣煤礦采空區。

20102工作面是榆樹灣煤礦規劃采煤工作面中最先投入生產的工作面,與既有神延鐵路相鄰,其走向長度5 810 m,斜向長度250 m,傾角0°～3°,平均1.5°,埋深約260 m,兩側為原煤運輸帶及巷道。

該工作面采用走向長壁傾斜分層大采高全部垮落法采煤方法,回采過程中工作面有涌水現象。其開采進度平均13 m/d。頂板采用自然塌落的管理方式,為消除隱患,當頂板短期內不能塌落時則采用爆破強行放頂,使頂板盡快塌落。

2 地質特征

2.1 地形地貌

榆樹灣井田所屬區域位于毛烏素沙地的邊緣,地表廣泛分布風積沙,呈現風沙荒漠景觀,以固定、半固定沙地為主。地形呈波狀起伏,地形低洼處為面積不等的灘、澗地及沖溝,底部為剝蝕殘留黃土梁峁。

2.2 地層巖性

2.2.1 井田地層

2.2.2 含煤地層

本井田延安組含有對比意義的煤層共10層。其中主要可采煤層有4層,從上往下依次為2-2、3-1、4-3、5-3上4層煤。最上部的2-2煤層埋深110～300 m,平均埋深230 m,上覆基巖平均厚度120 m,第四系覆蓋層平均厚度110 m。

2.2.3 主要可采煤層頂、底板巖性

2-2頂部巖性由細粒砂巖、砂質泥巖、粉砂巖組成,厚度1.0～2.45 m,灰白色,具水平層理,節理裂隙發育；上部巖性為砂巖組成,厚度34.1～78.0 m,灰白色,具交錯層理,巖性復雜,規律性不明顯。

底板巖性為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖組成,厚度4.1～8.73 m,灰色,具水平層理,夾炭質泥巖條帶,含植物化石碎片,鈣質膠結。底部為砂巖、粉砂巖、泥巖組成,平均厚度23 m,灰白色,具交錯層理、水平層理。

2.2.4 地質構造情況

該地區在地質構造上屬中朝準地臺的二級構造單元——陜甘寧臺坳。構造作用主要表現為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升為主。無大的褶皺和斷裂構造,地層平緩,呈微傾向北和北西的單斜地層,傾角北段一般為1°～3°,局部波狀起伏。

2.2.5 水文地質情況

本區地表水主要為田家溝溝水,為季節性流水,水量不大,主要受大氣降水補給。

地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

第四系孔隙潛水一般發育于松散砂層及下伏黃土、紅黏土的孔隙及裂隙中,受大氣降水、溝水補給,水量較小,連通性差。

基巖裂隙水含水巖層巖性主要為中細粒砂巖,局部為粗粒砂巖,在含煤地層含水巖層為粉砂巖、砂質泥巖等成互層狀,裂隙發育微弱,透水性差。基巖頂面形態與現代地形相吻合,海拔高度1 246～1 300 m,西南部較高,東北田家溝一帶較低。含水層巖性為中、細粒砂巖,局部為粗粒砂巖、垂直向上與粉砂巖、砂質泥巖、泥巖等交替分布。裂隙微發育,透水性差,在基巖頂部25 m范圍內的直羅組巖石呈風化狀態,上部10 m左右巖石風化強烈,次生結構面及風化裂隙網絡發育,為地下水儲存創造了良好空間,使之含水性能強于下部正常巖段。

3 采空區變形分析與評價

3.1 地表變形情況

榆樹灣煤礦主要開采2-2煤層,首先開采上分層,厚度5.5 m,第四系覆蓋層約110 m,基巖厚約150 m。礦于2008年4月投入生產后地表開始變形。地表嚴重開裂,并形成移動盆地,盆地的邊緣裂縫較寬,形成明顯的錯臺。

3.2 變形分析與評價

3.2.1 地表移動參數的選取

首采的20102工作面具有開采深度較深(目前開采深度約260 m,其中基巖150 m,第四系覆蓋層110 m),開采厚度大(首次開采厚度為5.5 m),開采速度較快(13 m/d),工作面長(規劃工作面長度為5 810 m),寬度大(工作面開采寬度約250 m)等特點,屬機械化大面積開采,并存在近水平巖層與地表移動問題。由于屬于首次開采,還沒有進行過移動變形觀測,更沒有現成的可供全面參照的地表移動參數。

本煤礦采空區變形預測是在充分考慮20102工作面的開采條件、開采方法以及采空區頂板管理方式的基礎上,認真分析各個影響因素,結合以往經驗,確定20102工作面采空區變形參數(表1)。

表1 地面變形參數選取

3.2.2 變形預測

根據以上參數的選取,對最大下沉值進行預測

η=qm=3.85 m

式中η——最大下沉值；

q——下沉系數；

m——開采煤層垂直厚度。

r=H/tanβ=130 m

式中r——開采影響半徑；

H——采深；

β——主要影響角。

同時采用中國科學院礦冶研究所煤炭科學研究院北京研究所使用的變形預測經驗公式對最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動值、最大水平變形值進行預測：

最大傾斜值i=η/r=29.6 mm(η為最大下沉值)

最大曲率值K=±1.52η/r2=0.346 mm/m

最大水平移動值ξ=bη=1 155 mm(b為水平移動系數)

最大水平變形值ε=±1.52bi=±13.5 mm/m

對地表最大下沉速度進行預測

V=2Cη/H=385 mm/d

式中C——工作面推進速度，m/d。

依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》對該煤礦采空區頂板塌落后在地表形成的移動盆地范圍進行預測。

第四系覆蓋層的移動角采用45°,基巖采用70°,以此推斷采空區邊界以外地表移動盆地范圍。

r=110×tan45°+150×ctan70°≈165 m

根據預測地表的變形邊界在采空區邊界以外165～200 m(考慮地形起伏)。

3.2.3 地表觀測

由于榆樹灣煤礦20102工作面為首采,為了掌握煤層開采后地面變形特征,在20102工作面開采不久的2008年4月即建立了地表觀測網絡。地表觀測點的布置主要沿20102工作面走向中心布置,在工作面中觀測點間距約25 m。

觀測時間間隔則根據20102工作面推進速度和觀測點活動情況而定。如果工作面推進較快,則觀測時間間隔較小,否則觀測時間間隔較長。

據統計走向觀測點累計沉降值最大3.406 m,走向觀測點的最大沉降速率-116 mm/d。

根據觀測的數據,選擇有代表性的觀測點數據,繪制了沉降與時間的關系曲線(圖1)。

注：1.觀測日期與初始觀測日期的時間間隔，s；2.觀測點的沉降;3.Z16、Z17、Z18、Z19、Z20、Z33、Z35、Z40、Z44為觀測點。

3.3 采空區穩定性評價

當煤礦開采時,上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。垮落帶巖體呈散體和碎裂形態,巖塊間空隙大、連通性好；斷裂帶巖體呈塊裂層狀結構,裂縫連通且發育；彎曲帶巖體為相對完整的層狀結構。

地下采空后,如果垮落帶延伸至地表,在采空區上方及其周圍的地表產生變形,當開采尚未達到“充分采動”,移動盆地無法形成平底,水平和垂直變形都發展很快,且不均勻。開采達到“充分采動”時,移動盆地形成平底,變形趨于穩定,但盆地周圍變形仍將持續較長時間。

根據現場調查及榆樹灣煤礦的開采方法、工藝及采空區頂板管理方式判定,榆樹灣煤礦屬大面積采空區。目前地表已經出現多道裂縫、錯臺,根據沉降觀測數據繪制了沉降與時間的關系曲線、累計沉降量與各觀測點距離和時間的關系曲線。根據曲線分析,觀測點的急劇沉降在開始變形240 d后趨于平緩。同時對觀測點的沉降速率-時間曲線進行分析后發現有類似的規律。

分析累計沉降量與各觀測點距離和時間的關系曲線發現榆樹灣煤礦大面積采空區地表從初采面沿走向方向逐步呈現出移動盆地形態,目前盆地中間平臺長約490 m,平均沉降約為2.8 m,完成預測全部沉降的73%,表現為急劇沉降,沉降時間約240 d。后期盆地中間平臺的沉降主要表現為破碎基巖及上覆第四系松散層自重應力下的自然沉降,是一個徐變的過程,速率將比較緩慢,并逐漸減小,最終趨于穩定,這個過程將持續較長時間。

4 榆樹灣煤礦大面積采空區對包西鐵路增建二線的影響

4.1 煤礦大面積采空區對鐵路的危害

由于鐵路線路位置沒有從移動盆地的主斷面上通過,而是從移動盆地的沉降活躍地帶通過,各類工程除了承受垂直移動和變形外,還要承受橫向和縱向的移動和變形：

(1)移動盆地的沉降活躍帶地表不均勻下沉將引起路基的沉降和線路坡度的改變。

(2)地表的橫向水平變形將導致軌道彎曲,并引起軌道平面的傾斜或曲線超高的改變。

(3)地表的縱向水平變形,如地面的壓縮和伸張將使鋼軌和軌枕擠緊和斷開。

地表的上述移動和變形,對鐵路后期運營將造成巨大隱患。

4.2 榆樹灣大面積采空區對包西鐵路增建二線的影響

根據最新的工作面推進位置,包西二線在DK186+100～DK186+220段以25°夾角穿越榆樹灣大面積采空區。根據地表觀測資料及采空區分析,線路在DK185+600～DK188+700段穿越移動盆地活躍的地區,目前其地面沉降比較活躍,在其變形還沒有穩定前,將對地表建筑物造成嚴重影響。

榆樹灣煤礦在開采之初即在地表建立了完善的監測網絡,收集了第一手的地表變形監測數據。根據變形監測資料分析,移動盆地中央平臺的變形在急劇完成后,逐漸趨于穩定,此時盆地周圍的變形也基本趨于穩定,移動盆地邊緣的距離開采中軸的距離與變形預測的距離基本相符。

根據對榆樹灣煤礦大面積采空區的變形監測發現,深層的大面積采空區(人工強行放頂)對地表的影響程度與采空區頂板的地層結構及地層巖性有關,一般頂板越厚,開采面積越小,影響程度越小,反之影響程度越大。監測發現初期的地表變形表現為急劇沉降,一般完成預測沉降的70%～80%,并形成較為明顯的移動盆地,這大約需要幾個月的時間,剩余盆地的沉降主要表現為破碎基巖及上覆第四系松散層自重應力下的自然沉降,是一個徐變的過程,速率將比較緩慢,并逐漸減小,最終趨于穩定,預計這個過程將持續較長時間。

由于深層的大面積采空區的處理極為困難,且處理費用高,處理時間長,且處理效果難以保證,因此在變形初期階段,不宜對采空區進行處理,建議在大面積采空區急劇變形完成后,對通過采空區的鐵路構筑物進行必要的結構設置。由于剛性建筑物對地表變形敏感性強,因此嚴禁在鐵路通過大面積采空區設置橋梁、隧道等結構性強的工程,同時在鐵路運營后必須對采空區及其影響范圍進行長期監測,在路基本體中設置沉降異常報警裝置,發現隱患及時處理。

目前榆樹灣煤礦已經停止在包西增建二線可能采空區影響范圍內的開采,鐵路施工單位已經在采空區可能影響范圍及周邊建立了完善的監測網絡。根據監測資料與理論預測變形值的對比分析,對急劇沉降已經完成的地段,可先期進行了路基施工,同時采取了路基兩側加設5 m寬護道,對未施工路基地段,路基面加寬2 m,基底以上全斷面鋪設高強土工格柵的處理措施,同時在路基本體中設置了沉降異常報警裝置,以便發現隱患及時處理。對急劇沉降尚未完成的地段,則繼續加強監測,待急劇沉降完成后,再施工路基工程。

5 結語

包西鐵路增建二線所穿越的榆樹灣煤礦大面積采空區,為變形仍在發展的大面積采空區,首采的20102工作面無論開采深度、開采厚度、開采速度、工作面長度、開采寬度等方面在我國鐵路建設中比較罕見,因此榆樹灣煤礦大面積采空區變形分析研究成果對鐵路建設中具有類似地層的大面積采空區的分析研究具有一定的借鑒意義。

[1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.包西鐵路大保當至張橋段地質第四篇[R].西安：中鐵第一勘察設計院有限公司，2006．

[2]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2007．

[3]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[4]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.包西鐵路大保當至張橋段采空區專題報告[R].西安：2007.