包西鐵路毛烏素沙地大面積煤礦采空區地質選線研究

孫寶忠，胡清波

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司地路院，北京 100055)

1 概況

新建包西鐵路通道包頭至神木段位于內蒙古包頭市、鄂爾多斯市和陜西省神木縣境內，南端與既有神延線鐵路連接，線路全長239.7 km，是國家路網“八縱八橫”主骨架包頭至柳州南北鐵路大通道北段，線路大致呈南北走向。

本線經過的烏蘭木倫河沿線煤炭資源豐富，侏羅系等煤系地層分布廣泛，煤層厚度大，煤礦開采歷史悠久，采空區分布廣、規模大，埋藏條件復雜多樣，不僅有眾多歷史悠久的古窯，也有正在大范圍開采的新近礦區，致使采空區分布情況復雜，勘察和處理難度大。大面積煤礦采空區地質災害給當地的工農業生產帶來極大的危害。煤礦采空區及資源壓覆等因素控制明顯，是本項目鐵路地質選線的工作重點和重要因素。

2 線位方案

根據沿線煤礦采空區分布及煤礦資源的壓覆等因素的控制，結合線路走向，綜合比選和研究了大保當接軌(貫通)和紅柳林接軌(比較)兩大線路走向方案，如圖1所示。

圖1 大保當接軌方案和紅柳林接軌方案示意

2.1 大保當接軌方案

線路自ICK124+000出鄂爾多斯站，沿東南行進至油房溝后折向西南，于皂火壕附近上跨在建東烏鐵路，跨越府神公路后到達中雞鎮。在錦界井田、紅柳林井田、檸條塔井田西側設錦界煤炭裝車站，再沿河則溝而下，跨禿尾河、袁家溝、黑龍溝，至比較終點神延線大保當站。線路全長138.818 km。

2.2 紅柳林接軌方案

線路順昆獨龍溝而下，跨銅匠川，與既有包神線同走行于昆獨龍溝東岸。在新沙沙圪臺設站后南行，跨東烏蘭木倫河，沿其西岸南行。跨越伊金霍洛旗烏蘭木倫煤田、神木縣大柳塔礦區(采空區)后，于大柳塔鎮朱蓋塔村以橋梁的形式上跨既有包神鐵路，隨后轉入窟野河河谷區，走行于烏蘭木倫河的西岸，引入紅柳林車站。線路全長165.890 km。

3 煤礦采空區的工程地質特征

大保當接軌方案不穿越煤礦采空區;紅柳林接軌方案穿越煤礦采空區，煤礦采空區主要沿烏蘭木倫河谷兩岸分布。

3.1 地形地貌

本段線路地形起伏較大，溝壑縱橫，沖溝下切嚴重，水土大量流失，溝谷中基巖裸露。沿線烏蘭木倫河谷區為“U”形，寬闊而平緩，岸坡上“V”形沖溝發育。線路沿線植被稀疏。

3.2 地層巖性

地表為第四系全新統砂類土夾圓礫土;上更新統砂質黃土，具Ⅰ級非自重濕陷性(濕陷系數 δ0=0.020)，厚度2～20 m。基巖為上第三系紫紅色粉砂質泥巖，總厚度大于40 m，泥巖具弱膨脹性。侏羅系含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質頁巖及煤層，為區內主要含煤地層，巖層產狀水平～緩傾斜。砂巖和礫巖有弱膨脹性。

3.3 地質構造

區內地質構造比較簡單，主要為伊陜地臺區，主要表現為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升，無大的褶皺和斷裂帶，地層產狀平緩，呈微傾向北和北西的單斜地層。傾角一般3°～15°，局部波狀起伏。巖體節理、裂隙發育。

3.4 煤層分布及煤礦開采情況

3.4.1 煤層分布

侏羅系為含煤地層，廣泛分布在線路所處地區。侏羅系下統延安組砂、泥巖地層共有9個煤組18層煤，煤層單層平均厚度為 0.99 ～2.74 m，總厚度約17 m，煤組間距6～40 m。各煤組特征見表1。

3.4.2 煤層開采情況

由于沿線煤炭資源極其豐富，煤層埋深小于100 m。歷史上曾有數百家大、中、小型煤礦在該區采煤，除后補連煤礦為露天開采外，其余煤礦都為斜井井下開采。大型煤礦主要為神華集團所有，以機械化開采為主;中、小型煤礦以人工開采為主。

通過收集既有資料(煤礦井上下對照圖、煤礦開采工程平面圖等)，開展遙感技術(Landsat-7 ETM+數據遙感解譯影像、航空像片解譯)、地面現場調查、物探(高密度電法)及訪問當地老鄉等工作，了解小煤礦開采歷史情況，研究地質勘察取得的成果資料，進行分析、歸納、總結，查明的沿線煤礦及采空區的空間分布特征情況(表2)。

采空區沿烏蘭木倫河兩岸和河谷中廣泛分布，線路通過段采空區累計長度為18.1 km。

表1 主要可采煤組特征

表2 沿線煤礦及采空區分布情況調查

3.5 采空區的水文地質條件

礦區內地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要分布于河谷內松散的碎石土及砂類土中，水位埋深3～5 m，水量較大，水質較好，受河流及大氣降水的補給。基巖裂隙水主要賦存于侏羅系的砂巖中，為節理裂隙水，水量較大。泥巖具有弱膨脹性，在地下煤層大面積開挖后，基巖裂隙水會沿采空區四周宣泄，浸泡泥巖，使其軟化、崩解，從而使煤層頂部產生冒落、撕裂、彎曲，使地面下沉或塌陷。

3.6 采空區的地面變形

由于烏蘭木倫河兩岸煤礦的大面積開采，在地下形成了較大的采空區。根據航空像片解譯及現場調查，采空區范圍內的山體多處出現變形、塌陷及地裂縫。紅柳林方案線路ICK171+200～ICK172+260左側150 m至岸邊之間有大量的小煤窯塌陷坑，見圖2。因煤礦采空，部分村民房屋出現大面積開裂，溝谷中的溪水大部分已斷流。

圖2 ICK171+900左側150 m小煤窯塌陷坑

3.7 穩定性評價

經綜合勘察查明，ICK155+600～ICK219+400段內，共有7段采空區，累計長度為18.1 km。根據采空區的地層巖性、開采情況、地面塌陷及變形計算等綜合評價采空區的穩定性。由于采空區尚未達到“充分采動”，水平和垂直變形都發展很快，且不均勻。計算表明，采空區的最大下沉值約為1.90 m，最大水平移動值約為0.76 m，最大水平變形值約為48.19 mm/m。根據當地采煤歷史較長，不同規模的煤礦較多，大部分采空區已產生了明顯的地表變形，采空區還未達到穩定，地面下沉還會繼續發展，隨著開采的進一步推進，地面下沉的速度會隨之加快，處于移動和變形活躍階段。在采空區上覆地表修建鐵路，地表下沉將引起采空區上部橋涵工程的基礎下沉、開裂及失穩，還會引起路基的沉落及線路坡度的改變等，給鐵路運營帶來無窮的后患。該采空區對工程影響較大，鐵路不宜從該采空區通過，建議繞避。

4 風沙區的工程地質特征

大保當接軌方案大部分地段走行于毛烏素沙地邊緣。根據沙丘的活動程度，可將方案研究區內的沙丘分為固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘三種。

固定沙丘一般呈冢狀，單個沙丘規模較小，高度也不大，通常只有10～20 m。整體景觀高低不平，具粗糙感。

半固定沙丘地表起伏不平，形態較復雜，單個沙丘呈渾圓或長條形狀，沙丘規模較小，高度一般在5～10 m，流沙呈斑點分布。本著因地制宜，因害設防的原則，積極采取工程措施、生物措施和化學措施治理，防護可控。半固定沙丘對線路的危害程度較小。

流動沙丘均以新月形沙丘和新月形沙丘鏈形式存在。方案區內新月形沙丘最顯著的特點是平面有新月形的形狀，沙丘兩側有順著風向伸出的翼角，迎風坡凸出而平緩，背風坡凹而陡，沙丘高度很少超過15 m。新月形沙丘活動性大，對鐵路危害較大。新月形沙丘鏈是由單個新月形沙丘相互連接而成的，其移動速度不如新月形沙丘快。流動沙丘隨風移動，有疏松的沙層，完全裸露，規模大小不一，初期規模小，后期規模大。流動沙丘對鐵路危害程度較大。鐵路不宜從流動沙丘區通過，建議繞避。

5 線路方案選擇

5.1 選線原則

在可行性研究階段采空區鐵路工程地質選線應結合線路走向和采空區分布，進行大區域的方案比選，在經濟技術條件合理的前提下，盡量繞避采空區，從安全地帶或尚未開采的礦區通過。

風沙區選線原則，線路應繞避風沙危害嚴重地段，不宜深入沙漠內部，宜選擇在輕微風沙地段、山前凸型地帶、防風林帶內側通過;線路的走向宜與主風向平行，不設或少設曲線，必需設置曲線時應避免采用小半徑，并宜將曲線設計為路堤，外側朝向主風向;線路宜采用高度不小于1.0 m的路堤，避免采用零斷面、半堤半塹及路塹，特別是長深的路塹，必要時可采用敞開式淺路塹;車站應選擇在風沙輕微地段，避開有風沙活動的隘口處，站房和住房應朝向背風方向。

5.2 線路方案比選

5.2.1 工程地質條件比選

大保當接軌方案與紅柳林接軌方案:控制2個方案的主要工程地質問題為煤礦采空區和風沙。

采空區情況:紅柳林接軌方案通過的采空區長度為18.1 km。大保當接軌方案目前不存在采空區。

風沙危害情況:大保當接軌方案約有67 km走行于毛烏素沙地東緣，其中CK226+000～CK246+000段約20 km范圍分布有半固定沙地，對路基工程有一定影響;紅柳林接軌方案約有9 km線路通過毛烏素沙地邊緣，一般為固定沙地，風沙危害較輕。

紅柳林接軌方案由于采空區成因類型復雜、范圍廣、規模大、準確查明困難。采空區的工程處理技術難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，對鐵路今后的運營造成隱患。大保當接軌方案風沙問題影響相對大一些，但避開了采空區。綜合考慮，大保當接軌方案工程地質條件優于紅柳林接軌方案。

5.2.2 線路壓煤情況比選

大保當接軌方案穿越規劃煤田，礦區尚未開采，對線路沒有影響，但需與礦主簽訂有關壓礦協議，預留保安煤柱。大保當接軌方案與紅柳林接軌方案壓煤情況對比見表3。

從線路方案壓煤角度來看，大保當接軌方案壓煤長度和壓煤數量均小于紅柳林接軌方案，大保當接軌方案優勢明顯。

表3 兩方案線路壓煤情況

5.2.3 工程建設難度比選

紅柳林接軌方案沿線各種形式的煤礦星羅密布，神華集團的煤礦主要集中于此。小煤礦改造區較多，多數為正在開采的煤窯;國營及大型礦區的開采，分布于既有包神鐵路兩側一定范圍內。沿線拆遷及與相關業主的補償問題較為復雜，同時與既有包神鐵路多次交叉，與神華集團的協調難度大。

紅柳林接軌方案所經煤礦埋深均小于100 m，該采空區的工程處理技術難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，對鐵路今后的運營造成隱患。大保當接軌方案既無采空區分布又與既有包神鐵路無干擾，線路經過地區局部存在壓煤問題，但整體工程相對簡易，建設難度較紅柳林接軌方案小。

5.2.4 工程投資比選

紅柳林接軌方案靜態投資估算48.04億元(其中采空區處理費用估算約需10.86億元);大保當接軌方案靜態投資估算36.81億元。大保當接軌方案工程投資優勢明顯。

6 結語

紅柳林接軌方案穿越大規模采空區，線路壓煤142.2 km，采空區的工程處理技術難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，工程建設難度大，靜態投資規模較大。

大保當接軌方案無采空區，風沙危害主要為穿越20 km范圍的半固定沙地，對路基工程有一定的影響，工程處理難度較小，靜態投資規模較小。

通過工程地質條件、線路壓煤情況、工程建設難度、工程投資等綜合比選，大保當接軌方案相對優于紅柳林接軌方案。因此推薦大保當接軌方案。

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