银西铁路彬长矿区采空区地质选线

赵 文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地路处，西安 710043)

银西铁路北接包兰线，中连太中银、西平铁路，南端通过西安枢纽与陇海通道、西成客运专线、西康铁路等衔接，行径宁夏、甘肃、陕西，连接沿黄城市带、陇东地区和关中经济区，线路全长599.10 km，在铁路路网中有极其重要的地位。

彬长矿区位于银西铁路彬县车站与雅店车站之间。在可研阶段，线路方案必需经彬县并设站，穿越彬长矿区无法避免，采空区稳定性是线路方案成立的关键，为此，对其稳定性评价显得尤为重要。

1 彬长矿区地质条件［1-2］

彬长矿区属陇东黄土高塬梁卯沟壑区，地势西南高东北低，泾河自西北向东南贯穿中部。矿区地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区，出露地层时代主要为白垩系下统华池组(K1h)、洛河组(K1l)、宜君组(K1y)、侏罗系中统安定组(J2a)、直罗组(J2z)、延安组(J2y)、侏罗系下统富县组(J1f)及三叠系上统胡家村组(T3h)，其中上部白垩系地层岩性多为砾岩、砂岩，岩体较坚硬，整体性较好，厚度约110～200 m，下部侏罗系地层岩性多为泥岩夹砂岩，岩体较软，整体性较差，厚度120～200 m;地表为第四系黄土所覆盖。

区内含煤地层为侏罗系中统延安组，共含有煤层7层，其中主要可采煤层仅一层，为4煤层，其余均为不可采或零星可采。4煤层位于延安组下部，埋深多为350～450 m，区内均有分布，结构较单一，煤层厚度0～35.22 m，平均厚度14.1 m，属特厚煤层，煤层倾向西北，倾角小于5°。

2 彬长矿区采空区变形分析及稳定性评价

2.1 采空区特征

区内采空区均属现代煤矿大面积采空区，煤层多采用综采放顶采煤法开采［3］，全部跨落法管理顶板，工作面回采率70% ～85%，开采工作面长1 000～2 000 m，宽90～180 m，开采煤层厚度7～13 m，工作面两侧预留煤柱宽20～50 m;采空区埋深多为350～450 m，煤层顶板岩性为侏罗系延安组(J2y)的砂岩夹泥岩，岩性较差，属不稳定顶板，易随采随冒，除直接顶随采随冒外，基本顶下位岩层也将冒落，共同充满采出煤层的空间。

2.2 理论分析

在地下开采前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态，当煤层矿体的开采造成原有地层缺失后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，从而引起应力重新分布，使岩体产生移动变形和破坏，直至达到新的平衡，随着开采工作的进行，这一过程不断重复［4］。

当地下煤层开采后，采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层的应力强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继冒落，而基本顶岩层则以梁、板形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面的向前推进，受采动影响的沿层范围不断扩大，当开采范围足够大(0.2H～0.3H，H为采深)，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，详见图1。

图1 采空区上方岩层移动示意

当煤层的开采深度大于安全开采深度时，开采后其上部建筑物仅产生轻微变形，不产生移动盆地，其安全开采深度H可按下式计算

式中 M——煤层的采出厚度，取值为7 m;

K——安全系数，由于为初次采动，且银西铁路属Ⅰ级建筑物，取值为175。

经计算可知道安全开采深度H为1 225 m，远大于其煤层的开采深度(350～450 m)，故其采空区上部地表会发生变形沉降，会产生移动盆地。

2.3 地表移动和变形计算

在地表移动和变形计算中，以彬长矿区下沟煤矿采空面为典型采空区工作面进行理论计算。

2.3.1 地面影响区半径计算

ZF2801采空工作面位于泾河河谷区，采空区上覆岩层厚约为320 m，第四系覆盖层厚度约为20 m，其地面影响半径

式中 H1——采空区上覆基岩厚度，取320 m;

H2——采空区上覆第四系厚度，取20 m;

α1——基岩移动角，取 60°;

α2——第四系覆盖层移动角，取 45°。

经计算，采空工作面地面影响区半径为205 m。

2.3.2 地表最大下沉值

由于采矿区长为1 050 m，宽为90 m，宽度小于临界开采尺寸1.2H0～1.4H0(H0为平均开采深度)，为非充分采动。

首次采动非充分采动情况下［5］:

最大下沉值

式中 q0——初次采动全面陷落情况下的下沉系数，取值为0.7 mm/m;

m——煤层的开采厚度，取8.50 m;

α——煤层倾角，取 3°;

D1、D2——采空区沿倾斜方向与走向方向的实际尺寸，分别为90 m和1 050 m;

H0——平均开采深度，取350 m;

经计算，ZF2801采空工作面其最大沉降值为4 703 mm。

2.3.3 其他变形值计算

地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形值的计算［6］，详见表 1。

2.4 地表变形监测值

通过对彬长矿区下沟煤矿、水帘煤矿等煤矿的监测数据分析，实测地表下沉最大值为－3 516 mm，最大下沉速度为－27.9 mm/d，水平移动值为－1 620 mm，移动速度为 －48.6 mm/d，详见图 2［7］。

表1 地表最大变形值计算

图2 采空区地表下沉曲线

根据现场实测结果分析，地表沉降量最大的位置位于采空区的正上方，同时，也是地表下沉速度最大的地方，因此，可以得出采空区的正上方受采空区的影响是最大的。同时采空区工作面两侧100 m范围内地表下沉量也较大，其沉降量也在500～1 500 mm，因此，其受采空区影响较为明显。采空区工作面100～200 m范围内，地表下沉量基本小于500 mm，受采空区影响逐渐减弱，200 m范围外基本受采空区影响较小，地表变形基本可以忽略。

同时，根据现场实测数据的逐年变化表明，受采空区影响的地表变形是缓慢且连续，其地表变形观测值也将随时间的推移而进一步加大，且对地表建筑物的影响是长期的。

2.5 采空区稳定性评价

由于彬长矿区采空区覆岩结构为上强下弱类型，上部白垩纪地层，即洛河砂岩、宜君砾岩的岩性比较坚硬，整体性强，而且宽度大，两层累计厚度达110 m，成为控制地表下沉的关键层，在工作面开采宽度不很大，又有两侧煤柱支撑时，关键层不会产生破断，只产生弯曲，使地表不产生断裂型下沉盆地，而是弯曲型下沉盆地，总体形态呈两边高，中间低的“类马鞍形”形态［8］。

通过地表移动和变形的分析计算，采空区的最大下沉值为4 703 mm，最大水平移动值为1 646 mm，而根据现场变形监测，目前受采空区影响的地表下沉量为3 516 mm，这表明采空区地表变形正处于发展阶段，部分采空区还未达到稳定，地面下沉还会继续发展，随着开采的进一步推进，地面的下沉速度也会随之加快。

另外通过对地表变形进行监测，在采空区工作面200 m范围内地表下沉较为明显，而200 m范围外地表变形较小或基本没有变形。而通过采空区影响范围的计算，该采空区影响范围数值为205 m，因此，理论计算值与实际计算值基本一致，对于该公式计算的结果可以应用于方案的稳定。

3 彬长矿区线路方案比选

3.1 线路方案设置原则

根据对采空区变形的形态及变形量、影响范围的分析，可以为线路方案的走向作出如下指导。

(1)在采空区正上方，地表的沉降最大，理论计算最大沉降量可达4703 mm，对于该区域线路应完全避绕。

(2)在采空区计算出的影响范围内，地表沉降虽然相对于采空区正上方地表沉降量较小，但根据现场监测结果，其沉降量也在500 mm以上，对工程的影响仍然很大，线路方案对该区域仍然应该避绕。

(3)在采空区计算出的影响范围之外，根据现场监测结果，其地表沉降较小或基本没有沉降，因此，线路可以在此区域通过。

(4)线路方案的设置在避绕采空区及其影响范围的同时，还必须考虑到线路位置对该区域煤矿资源今后发展的影响，线路的设置必须避绕目前煤矿的主要开采方向，以将对煤矿今后发展的影响降至最低。

3.2 线路方案的比选

根据本地区地形地貌、工程设置情况以及采空区影响范围，同时依据《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)及《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2001)中对人为坑洞避绕原则［9-10］，线路 定出了CK、C11K、C13K及C21K 4个方案，详见图3。

图3 彬长矿区煤矿采空区线路方案

C21K方案从百子沟整合区西南角穿越，其中线路约有800 m的长度直接穿越百子沟煤矿采空区，C13K方案从下沟煤矿ZF1816采空工作面东北角穿越，线路距离下沟煤矿采空区边界最近距离为107 m，根据采空区地面影响范围计算结果，线路应避绕最少距离为205 m，因此，线路未能完全避绕采空区影响范围。

C11K方案从官牌井田采空区南侧穿越，线路距采空区最近距离约800 m，但由于官牌井田采空区采空埋深约500 m，其中黄土厚度约240 m，根据公式(2)计算出采空区地面影响半径值为390 m。因此该方案不在采空区影响范围之内，但由于官牌井田煤矿目前正在往线路方向开采，当采空区范围扩大后，必将影响线路。

CK方案距各采空区距离均大于2 500 m，完全避绕了彬长矿区各煤矿采空区及其影响区域，同时避绕了各个煤矿主要采矿区域，将铁路线路对该区域矿产资源开发利用的影响降至最低，因此推荐该线路方案。

4 结论与建议

通过对彬长矿区采空区的调查，并系统地分析采空区地表移动和变形规律，在此基础上确定了线路选线的原则，根据此原则详细分析了4种线路方案，可得出如下结论与建议。

(1)彬长矿区采空区均属现代煤矿大面积采空区，采空区埋深多为350～450 m，开采煤层厚度7～13 m，受采空影响，地表会产生弯曲型下沉盆地。

(2)采空区地表最大下沉值为4 703 mm，最大水平移动值为1 646 mm，且采空区影响范围内也发生不同程度的下沉和变形，而在采空区影响范围外，地表基本未受采空区影响而下沉。

(3)目前采空区处于移动和变形的发展期，地表下沉和塌陷未达到稳定。

(4)对穿越采空区的C21K方案、在采空区影响范围内的C13K方案，以及虽然避绕了采空区及其影响范围但对煤矿的今后发展产生极大影响的C21K方案不予以推荐;推荐既避绕了采空区及其影响范围，同时又对该区域煤矿资源开发利用影响最小的CK方案。

(5)大型采空区对线路方案有重大的影响，在方案研究前期阶段，需对采空区变形特征进行分析研究，根据采空区地表变形的特征及规律，确定采空区的影响范围，为选线提供依据。

［1］方东汉，李葆元.1/20万区域水文地质普查报告(彬县幅Ⅰ－49－7)［R］.北京:地质出版社，1977.

［2］陕西省地质矿产局.陕西省区域地质志［M］.北京:地质出版社，1989.

［3］郑忠生.浅谈综采放顶煤采煤法［J］.经济技术协作信息，2010(28):123-123.

［4］邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［5］陈则连.煤矿采空区地表岩移对高速铁路的影响研究［J］.北京:铁道工程学报，2009(4):5-8.

［6］铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册［M］.北京:中国铁道出版社，1999:387-402.

［7］新汶矿业集团公司.水帘煤矿采空区地表变形监测报告［R］.彬县:新汶矿业集团公司，2010.

［8］刘长友，等.充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析［J］.徐州:中国矿业大学学报，2004(2):166-169.

［9］中华人民共和国铁道部.TB 10027—2001，铁路工程不良地质勘察规程［S］.北京:中国铁道出版社，2001.

［10］中华人民共和国铁道部.TB 10012—2007，铁路工程地质勘察规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.