太興線DK88+800～DK89+900采空區(qū)對(duì)擬建鐵路影響

李江輝

1 工程概況

新建鐵路太原—興縣線全長(zhǎng)167.2 km,為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)客貨共線鐵路。采空區(qū)勘查地段為DK88+800～DK89+900段,在該段的主要工程為下靜游隧道、下靜游大橋、韓家溝大橋及路基填挖段。

2 采空區(qū)分布特征

根據(jù)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和搜集訪問資料、地球物理勘測(cè)及鉆探綜合確定采空區(qū)主要分布在DK88+800～DK89+900段,本次將擬建鐵路線附近采空區(qū)分為3個(gè)區(qū)：A區(qū),B區(qū)和C區(qū),其特征如下：

1)A區(qū)。位于下靜游2號(hào)隧道DK88+800～DK89+160左側(cè)70 m,煤層底板標(biāo)高約1 130 m～1 160 m,采深一般70 m～80 m,采厚約2 m,回采率小于30%。其東部邊界位于擬建鐵路線DK88+800～DK89+160左側(cè)80 m～100 m,其西部邊界距擬建鐵路線較遠(yuǎn)。采空區(qū)埋深一般70 m～80 m,形狀為不規(guī)則橢圓形,南北長(zhǎng)約300 m,東西寬約120 m,面積約3.6×104m2。

2)B區(qū)。位于DK89+300～DK89+500右側(cè),開采標(biāo)高位于1 080 m～1 170 m,開采深度30 m～150 m,采厚約2 m,巷道式開采,回采率小于20%,巷道高寬1.5 m,不規(guī)則。其西邊界位于擬建鐵路線DK89+300～DK89+500右側(cè)4 m～30 m,東邊界位于擬建鐵路線DK89+300～DK89+500右側(cè)20 m～100 m。采空區(qū)形狀為一卵圓形,北寬南窄,面積約1.12×104m2。

3)C區(qū)。分布于B區(qū)東側(cè)外圍。主要由三神窯煤窯開采石炭系太原組9號(hào)煤形成,開采標(biāo)高1 080 m～1 100 m,采深一般70 m～80 m。C采空區(qū)西部邊界由F2斷層控制,位于擬建鐵路線以東160 m～190 m。該采空區(qū)形狀呈不規(guī)則長(zhǎng)條形,面積約5.0×104m2。

3 采空區(qū)地表變形特征

本次工程在DK87+300～DK89+600兩側(cè)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5處地面塌陷和3組地裂縫。其中T2主要由黃土遭水浸蝕形成,其余由采煤誘發(fā)。地面塌陷主要由塌陷坑組成,塌陷坑直徑1 m～8 m,深0.5 m～8 m,地層為 Q3粉土,疏松多孔隙。地裂縫地面表現(xiàn)為一系列的地面開裂現(xiàn)象,局部以群縫的特征出現(xiàn)。

4 采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性影響因素分析

控制和影響采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性的因素主要有采煤和頂板管理方法、覆巖性質(zhì)、煤層賦存條件、地形地質(zhì)條件等。

4.1 采煤和頂板管理方法

線路附近小煤礦采煤方法為巷柱式或房柱式,均為非正規(guī)采煤方法,一般主巷道寬1.5 m～2.5 m,支巷寬 1.5 m～2 m,柱寬5 m～10 m,回采率低于30%。采用自然垮落法管理頂板,由于開采作業(yè)不規(guī)范,回采率低,地表移動(dòng)變形規(guī)律差,在地表易出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫等非連續(xù)性地表變形。

據(jù)本次勘察鉆孔揭露,煤層覆巖以灰?guī)r、砂巖、泥巖和土層為主,采空區(qū)覆巖統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 采空區(qū)覆巖統(tǒng)計(jì)表

表1表明A區(qū)軟巖和極軟巖所占百分比達(dá)90%以上,其地表下沉和移動(dòng)變形速度快,冒落巖層間空洞率小,區(qū)內(nèi)分布較多的塌陷和裂縫說明其地表變形相對(duì)B區(qū)和C區(qū)要強(qiáng)烈和充分;B區(qū)軟巖和極軟巖占56%～79.6%,中硬巖占23%,其移動(dòng)延續(xù)期比A區(qū)要長(zhǎng),由于其開采時(shí)間最早(古窯),回采率低,其地表移動(dòng)一方面不明顯,另一方面由于時(shí)間久遠(yuǎn),地表變形可能被后期改造;C區(qū)軟巖和極軟巖占 60%～70%,中硬占15%～20%,堅(jiān)硬占5%～10%,相對(duì)比較中性,采空區(qū)內(nèi)零星分布有地面塌陷,說明其變形并不充分,隨著時(shí)間的推移可能再次出現(xiàn)塌陷。

4.2 煤層賦存條件

根據(jù)勘探鉆孔計(jì)算開采深厚比見表2。從表2可看出,線路附近采空區(qū)開采深度比大多小于40,地表應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形,實(shí)地調(diào)查,A區(qū)地表變形相對(duì)強(qiáng)烈,C區(qū)次之,B區(qū)不明顯,表明采空區(qū)未完全冒落,尚遺留有空洞,存在塌陷隱患。

表2 開采煤層深厚比統(tǒng)計(jì)表

4.3 地形地質(zhì)條件

勘查區(qū)位于黃土梁峁區(qū)溝梁相間,地形起伏較大。黃土具大孔隙和垂直節(jié)理,自然條件下易產(chǎn)生黃土陷穴、沖溝。采煤情況下,覆巖冒落,誘發(fā)黃土塌陷,另一方面在采煤爆破震動(dòng),覆蓋冒落的作用下,使土體產(chǎn)生松動(dòng),加劇黃土塌陷、開裂,地形地質(zhì)條件有利的情況下還可產(chǎn)生采動(dòng)滑移。勘查區(qū)采空區(qū)分布地段地表穩(wěn)定性差。

5 采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)搜集資料和勘查成果,本次工作采用開采條件判別法進(jìn)行采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

鐵路沿線分布的采空區(qū)均為小窯采空區(qū)和古老采空區(qū),因此其穩(wěn)定性采用頂板基巖厚度評(píng)價(jià)(見表3)。

表3 穩(wěn)定性分區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

勘查區(qū)鉆孔勘探采空區(qū)(煤層)頂板基巖厚度統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 頂板基巖厚度評(píng)價(jià)法采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

表4表明采空區(qū)A區(qū)基巖頂板厚度41 m,屬可能變形區(qū),其影響范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)工程建設(shè)應(yīng)予處理;B區(qū)頂板基巖厚度在42.7 m～55.9 m之間,屬可能變形區(qū),其影響范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)工程建設(shè)應(yīng)予處理;C區(qū)頂板基巖厚度位于41 m～61.0 m之間,大部分可能變形,局部基本穩(wěn)定,綜合確定該區(qū)為可能變形區(qū),其影響范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)工程建設(shè)應(yīng)予處理。

6 采空區(qū)地表移動(dòng)變形范圍

本采空區(qū)松散層移動(dòng)角按西山礦區(qū)：h=10 m,φ=45°;h=10 m～ 20 m,φ=50°;h=20 m～ 40 m,φ=55°;h=40 m～ 60 m,φ=60°;h≥60 m,φ=65°,基巖移動(dòng)角 δ=γ=72°,β =72°-0.6α,松散層厚度和地表至煤層的垂直深度根據(jù)鉆探資料確定。

1)A采空區(qū)。采用作圖法按上述參數(shù)確定地表移動(dòng)變形寬度DK88+908處為40 m,DK89+010處為44 m,DK89+080處為34 m,A采空區(qū)(東側(cè))地表移動(dòng)變形寬度34 m～44 m。2)B采空區(qū)。采用作圖法按上述參數(shù)確定地表移動(dòng)變形寬度DK89+424處左側(cè)為84 m,右側(cè)為40 m;DK89+370處左側(cè)為104 m,右側(cè)為42 m;DK89+336處左側(cè)為80 m,右側(cè)為30 m。B采空區(qū)地表移動(dòng)變形寬度左側(cè)(靠近鐵路線一側(cè))為84 m～140 m。3)C采空區(qū)。C采空區(qū)西邊界距離鐵路受護(hù)邊界約100 m,根據(jù)鉆探資料,C采空區(qū)西邊界一帶松散層厚度54 m,松散層移動(dòng)角 φ=60°,地表至煤層的垂直厚度為80 m,基巖移動(dòng)角為72°,計(jì)算地表移動(dòng)變形寬度為40 m。C采空區(qū)靠近鐵路線一側(cè)地表移動(dòng)變形寬度為40 m。

7 鐵路保護(hù)煤柱的計(jì)算

7.1 參數(shù)選取

設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱時(shí)松散層選用西山礦區(qū)移動(dòng)角φ值：h=20 m～40 m,φ=55°;h=40 m ～ 60 m,φ=60°。基巖移動(dòng)角由于西山礦區(qū)沒有巖層大于5°的實(shí)測(cè)值,選取陽(yáng)泉礦區(qū)實(shí)測(cè)值：δ=γ=72°,β=72°-0.5α=51°。

7.2 受護(hù)面積的圈定

按第59條規(guī)定,路堤以兩側(cè)路堤坡腳外1 m為界,路塹以兩側(cè)塹頂邊緣為界,作為擬建鐵路受護(hù)邊界。然后沿受護(hù)邊界按《規(guī)程》表6的規(guī)定外延20 m作為擬建鐵路的圍護(hù)帶邊界。

7.3 用垂直剖面法計(jì)算鐵路保護(hù)煤柱

1)如圖1所示,受護(hù)邊界為一長(zhǎng)條不規(guī)則形,在外側(cè)加寬20 m為圍護(hù)帶邊界,剖面Ⅰ—Ⅰ′,Ⅱ—Ⅱ′與圍護(hù)帶邊界相交于a,b,c,d四點(diǎn)。2)根據(jù)分析得a,b,c,d各點(diǎn)的圍護(hù)帶邊界與煤層走向的夾角(θ)、地面標(biāo)高、煤層底板標(biāo)高、松散層厚度、煤層埋深和基巖厚度(見表5)。3)根據(jù)松散層移動(dòng)角和所求的基巖移動(dòng)角計(jì)算出(相當(dāng)于剖面投影)a—a′,b—b′,c—c′,d—d′分別為 37.5 m,46.64 m,27.64 m,38.52 m。 4)根據(jù) a′,b′,c′,d′各點(diǎn)圈定鐵路線路保護(hù)煤柱范圍見圖1。

表5 鐵路線路各剖面點(diǎn)特征值

8 采空區(qū)對(duì)擬建鐵路的影響分析

A采空區(qū)靠近鐵路一側(cè)地表移動(dòng)變形寬度為38 m～40 m,擬建鐵路圍護(hù)帶邊界位于地表移動(dòng)變形邊界以外,因此A采空區(qū)對(duì)擬建鐵路無(wú)影響。B采空區(qū)靠近鐵路一側(cè)地表移動(dòng)變形寬度為74 m～140 m,擬建鐵路DK89+320～DK89+550段位于 B采空區(qū)地表移動(dòng)變形范圍內(nèi),因此B采空區(qū)對(duì)擬建鐵路的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅,必須進(jìn)行治理。C采空區(qū)靠近鐵路一側(cè)地表移動(dòng)變形寬度為40 m,擬建鐵路圍護(hù)帶邊界位于地表移動(dòng)變形邊界60 m以外,因此C采空區(qū)對(duì)擬建鐵路無(wú)影響。

[1]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].

[2]TB 10027-2001,鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[3]朱 勇.煤層采空區(qū)隧道的勘察設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2008,34(18)：333-335.