神邵线大面积采空区线路方案研究

张乐乐

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)

地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，平衡条件被打破，采空区上方岩体将随之产生变形，引起地表下沉变形，进而形成移动盆地。铁路工程穿越采空区移动盆地时，一般会承受垂直、纵向及横向移动和变形，对铁路工程的安全运营产生较大影响。

1 工程概况

神峪河至邵寨铁路位于甘肃省平凉市，线路方案通过的新柏煤矿分布有大面积的采空区，为控制该段线路方案是否可行的主要不良地质因素。线路通过新柏煤矿时有CK与C2K两局部比选，其中CK方案以路基工程从采空区附近通过，距离采空区边界最近处约420 m，桥隧比例82%，工程造价高。C2K方案以隧道工程从采空区附近通过，距离采空区边界最近处约65 m，桥隧比例58%，工程造价低[1]。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

该区段地层由老至新依次有：三叠系上统延长群(T3y)、侏罗系中统华亭群(J2h)及第四系上更新统风积层。

1)三叠系上统延长群(T3y)：灰绿色、黄绿色砂岩为主，砂质结构，中厚层状构造，局部夹有砂质泥岩及泥岩薄层。与上覆侏罗系中统华亭群呈假整合接触，为煤系沉积的基底。

2)侏罗系中统华亭群(J2h)：根据钻探资料，华亭群地层共分为4组，主要由砂岩、砾岩、泥岩、煤层及劣质油页岩等组成，平均厚度为347.62 m，其中主含煤地层及可采煤层煤5层为华亭群第1组。

3)第四系上更新统风积层(Q3eol)：主要为风积砂质黄土，分布于矿区地表，具垂直节理，下部含钙质结核，厚10～20 m。

2.2 地质构造

新柏煤矿井田正处于安口—新窑向斜与新窑小向斜之间。井田呈单斜构造，井田内无明显的褶皱及断裂构造。

3 煤田的开采情况及煤层顶、底板岩性

3.1 煤田开采情况

新柏煤矿含煤12层，可采煤层主要为煤5层，平均厚度10.26 m，埋深300～380 m，煤层倾角15(°)～21(°)，当前采空区煤层倾角为18(°)。

新柏煤矿采煤采用走向长臂综采放顶煤采煤方法，全部跨落法管理顶板，目前采煤层为煤5层，为初次采动充分采动。

3.2 采煤层顶、底板地层岩性

主采煤层煤5层顶板岩性为灰褐色及灰黑色劣质油页岩，厚3.3～5.0 m，上部岩性主要为灰白、浅灰色砂岩、砾岩及泥岩等，厚295～370 m；底板岩性以灰褐色砂岩为主，局部夹泥岩。

4 采空区地表移动与变形的预测

4.1 地表最大下沉值预测[2]

地表最大下沉值为：

η0=q0m·cosα

(1)

式(1)中：η0为地表最大下沉值；m矿层的法线厚度，m；α为矿层倾角，(°)；q0为充分采动情况下的下沉系数。

可采煤层煤5层平均厚度10.26 m，煤层倾角18(°)，取α为18(°)，q0取值0.7。计算得地表最大下沉值为6.83 m。

4.2 地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形预测

地面影响区半径为：

r=H/tanβ

(2)

式(2)中：H为开采深度，300 m；β为移动角，69.2(°)，依据采空区情况计算r为113.9 m。

最大倾斜值：

i0=η0/r=6 830/113.9=59.96 mm/m；

最大曲率值：

k0=±1.52η0/r2=±1.52×6 830/113.92=±0.8 mm/m2；

最大水平移动值：

ξ0=bη0=0.3×6 830=2 049 mm，b为水平移动系数，取值0.3；

最大水平变形值：

ε0=±1.52bi0=±1.52×0.3×59.96=27.34 mm/m。

4.3 移动盆地边界预测

4.3.1 采空区边界角的确定

基岩采空区移动盆地临界边界距离主要参数为边界角：β0(下山边界角)、γ0(上山边界角)及δ0(走向边界角)，可按以下公式计算：

β0=β-15(1-0.01α)

γ0=γ-15

δ0=δ-15

式中β、γ及δ分别为下山移动角、上山移动角及走向移动角。

参照国内煤矿移动盆地有关数值，新柏采空区β取值56.9(°)，γ取值78(°)，δ取值78(°)。经计算：采空区边界角数值为：β0=60.7(°)，γ0=63(°)，δ0=63(°)。

4.3.2 移动盆地临界边界距离的确定

移动盆地临界边界距离计算公式如下：

L=H1/tanφ+H2/tanβ0(γ0,δ0)

式中H1为表层覆盖土层厚度，H2为采空区上覆岩层厚度，φ为表层土层的内摩擦角。

分别计算点a～i移动盆地临界边界距离(见表1)，并绘制出移动盆地预测边界(见图1)。

表1 移动盆地临界边界距离计算

图1 线路方案及采空区概况

5 采空区场地稳定性、适宜性评价

由于新柏煤矿仍在开采，随着开采继续，地表变形将持续发展，移动盆地边界继续扩大，采空区变形处于不稳定状态。

经计算，采空区地表最大倾斜值为59.96 mm/m，地表最大曲率值为0.8 mm/m2，地表最大水平变形值为27.34 mm/m。地表倾斜大于10 mm/m，地表最大曲率大于0.6 mm/m2或地表最大水平变形大于6 mm/m的地段不宜作为建筑场地[3-4]。综上，移动盆地范围内不宜作为建筑场地。

6 采空区对线路方案的影响

CK线路方案位于移动盆地预测边界外，距离移动盆地预测边界大于200 m，以路基工程通过，采空区对CK线路方案基本无影响，线路可以正常通过。

C2K线路方案局部段落位于采空区移动 盆地预测边界内，以隧道工程通过。由于采空区变形处于不稳定状态，移动盆地边界内场地为不宜建筑地段；另据采空区地表变形计算结果，采空区地表最大下沉值预测为6 830 mm，最大水平移动值预测为2 049 mm，软岩、小跨隧道Ⅳ级围岩情况下隧道预留变形量值为50 mm[5-6]，由于采空区地表变形预测值远大于规范容许隧道变形值，C2K线路方案通过时可能会造成隧道变形、开裂，甚至导致隧道废弃。通过综合分析，采空区对C2K线路方案影响很大，存在安全隐患。

7 结 语

经详细地质调查与计算分析，移动盆地边界内地表变形值不满足规范要求，不宜作为建筑场地，其中C2K方案局部段落位于移动盆地边界内，采空对工程影响极大，存在安全隐患，而CK方案距移动盆地边界仍有一定距离，采空对工程基本无影响。由于目前除了绕避采空区的方法之外，对大矿深部采空带来的地面沉降没有切实有效的工程整治措施，经过综合比较，选用工程造价高但受采空影响小的CK线路方案，而工程造价低的C2K方案存在极大安全隐患，方案不可行。

由于新柏煤矿仍在开采中，随着开采继续，地表变形将持续发展，移动盆地边界随着煤层开采继续扩大，因此在开采过程中应为CK线路方案预留保护煤柱，确保保护煤柱内煤层不被开采，同时应加强地表变形监测工作。