采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線

周 革

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

采空區(qū)為鐵路工程中一大重要不良地質(zhì)，因開采種類多，開采方式多樣，礦產(chǎn)所有權(quán)權(quán)屬變化，加之歷史原因，常常成為影響線路方案的重要因素。本文結(jié)合工程實(shí)例就采空區(qū)識別、范圍界定、選線原則進(jìn)行了探討。

1 采空區(qū)識別及移動(dòng)盆地邊界界定

確定線路沿線采空區(qū)范圍、影響區(qū)域是采空區(qū)鐵路選線及確定線路方案的先決條件。識別采空區(qū)及界定移動(dòng)盆地邊界主要采用調(diào)查、地質(zhì)分析、推算以及綜合勘探驗(yàn)證等步驟。

1.1 調(diào)查

現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查是采空區(qū)識別及邊界界定的必要手段，包括走訪調(diào)查，收集既有的采掘資料(巷道平面圖、巷道采掘高程圖)、地質(zhì)資料，以及地表變形、開裂情況的調(diào)查。

(1)開采情況調(diào)查

首先根據(jù)相關(guān)資料確定可能的采空區(qū)地點(diǎn)、范圍，通常在開展工作之前到當(dāng)?shù)貒临Y源部門進(jìn)行初步的調(diào)查，確定大型采空區(qū)的具體位置和規(guī)模、開采方式、開采現(xiàn)狀、權(quán)屬人，然后在實(shí)際線狀調(diào)查中利用調(diào)查表的形式調(diào)查當(dāng)?shù)鼐用瘛?/p>

在調(diào)查中主要調(diào)查采空區(qū)開采礦產(chǎn)的種類、開采點(diǎn)井口、巷道布置形式、巷道的走向、采掘范圍、開采方式、開采深度等資料。尤其要重視調(diào)查礦產(chǎn)產(chǎn)量、棄碴位置及數(shù)量、運(yùn)輸方式，這是驗(yàn)證采空區(qū)開采范圍的有效佐證。同時(shí)，在調(diào)查中還需要調(diào)查多人，互相驗(yàn)證，最好是調(diào)查直接參與過開采的工人、技術(shù)人員或管理人員。

(2)地質(zhì)調(diào)查

采空區(qū)調(diào)查中需要加強(qiáng)地質(zhì)資料的現(xiàn)場核查，主要查明開采區(qū)附近覆蓋層厚度、基巖巖性、地層時(shí)代，采空區(qū)范圍褶皺、斷裂等構(gòu)造，沉積巖產(chǎn)狀，礦產(chǎn)分布形態(tài)，棄碴成分等。

1.2 地質(zhì)分析

在采空區(qū)邊界計(jì)算之前，必須進(jìn)行地質(zhì)分析。采空區(qū)的開采與采空區(qū)地質(zhì)背景具有極為緊密的聯(lián)系，尤其是對于采掘資料不全的早期采空區(qū)，往往根據(jù)開采情況的調(diào)查，結(jié)合地質(zhì)分析，可以較為準(zhǔn)確的界定采空區(qū)邊界。

寧安城際鐵路安慶煤窯采空區(qū)，里程范圍位于CK249+000～CK250+000段。主要地層為:大隆組硅質(zhì)頁巖，燧石層夾炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r，龍?zhí)督M粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，其中煤層主要分布在龍?zhí)督M地層中(如圖1所示)。

圖1 安慶采空區(qū)范圍線路示意

經(jīng)過三個(gè)階段的測繪、調(diào)查，共查出線路附近的煤窯洞口17個(gè)。經(jīng)調(diào)查，安慶采空區(qū)較大的煤窯主要為國營開采，鄉(xiāng)村開采主要為小型煤窯。除長青礦業(yè)煤礦還在開采外，其他均已關(guān)閉。調(diào)查中收集到長青礦業(yè)煤礦、高松聯(lián)營礦、柘山煤礦二礦區(qū)采掘平面圖。大型煤礦采掘資料較為齊全，可以較為方便的界定移動(dòng)盆地邊界。其他鄉(xiāng)村小型煤窯沒有圖紙，主要采用走訪、調(diào)查收集資料。該類小煤窯主要在20世紀(jì)60～80年代開采，部分90年代開采。由于年代較遠(yuǎn)，部分受訪人說法不太一致。

通?，F(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)資料分析，發(fā)現(xiàn)該處大的地質(zhì)背景為一背斜，中間出露的為大隆組地層，兩翼分布龍?zhí)督M地層，不論是大型煤礦還是小煤窯主要賦存于兩側(cè)的龍?zhí)督M地層，開采方向?yàn)楸诚蚓€路走廊。根據(jù)這一結(jié)論，選擇幾個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了鉆探，進(jìn)一步查明了巖性時(shí)代。同時(shí)，在擬選線路上局部地段進(jìn)行了物探大地音頻驗(yàn)證。

在線路確定時(shí)，大膽采用從兩側(cè)采空區(qū)中間段落穿過，從而為快速穩(wěn)定線路方案提供了有力支撐，目前該段線路已進(jìn)行正常施工。

1.3 推算

(1)采空區(qū)邊界角的確定

基巖采空區(qū)移動(dòng)盆地臨界邊界距離的計(jì)算主要參數(shù)是邊界角:δ0(走向邊界角)，γ0(上山交界角)，β0(下山邊界角)，通常按下列公式計(jì)算上述邊界角

式中δ、γ、β為走向移動(dòng)角、上山移動(dòng)角、下山移動(dòng)角，為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可參考相關(guān)資料。

(2)采空區(qū)移動(dòng)盆地臨界邊界距離計(jì)算

寧杭客專CK137+000～CK141+350左側(cè)為白泥場煤礦采空區(qū)，采空區(qū)附近線路方向近南北向，而煤層傾向北－北北東，傾角 α為5°～20°，礦體傾角緩，開采厚度薄。計(jì)算中只需考慮走向角，對于表土層移動(dòng)角一般與產(chǎn)狀無關(guān)，本次按40°考慮。

白泥場煤礦基巖移動(dòng)角取值如表1。根據(jù)公式(1)～(3)計(jì)算的邊界角如表2。

表1 采空區(qū)移動(dòng)角參數(shù) (°)

表2 采空區(qū)邊界角計(jì)算結(jié)果 (°)

移動(dòng)盆地臨界邊界距離計(jì)算公式如下

式中，H1為表土層厚度，H2為基巖厚度，Φ為土層的內(nèi)摩擦角，δ0則為走向移動(dòng)角。白泥場煤礦采空區(qū)表土層厚約40m，基巖厚約510m，計(jì)算得移動(dòng)盆地臨界邊界距離為405m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及對收集資料的分析計(jì)算，結(jié)合采空區(qū)和線位的平面位置關(guān)系可知，白泥場煤礦開采區(qū)邊界至線位距離為560m，明顯大于計(jì)算的移動(dòng)盆地臨界邊界，具備較高的安全儲(chǔ)備。故CK137+000～CK141+350段線位以7000m的半徑從采空區(qū)外圍通過是安全可靠的。

1.4 綜合勘探驗(yàn)證

采空區(qū)的識別與移動(dòng)盆地邊界的界定除了必要的資料收集、地質(zhì)分析、推算外，還必須借助綜合勘探來驗(yàn)證。

通常借助鉆探和物探驗(yàn)證，尤其是對物探異常段落更需要加強(qiáng)驗(yàn)證。不過對于采空區(qū)的物探和鉆探異常部位仍然存在多解性，需要進(jìn)一步研究。另外借助數(shù)值計(jì)算手段弄清采空區(qū)性質(zhì)及范圍也具有重要作用。合?？瓦\(yùn)專線DK449～DK500段官山底附近采空區(qū)就借助了EH－4和鉆探來綜合勘探驗(yàn)證采空區(qū)范圍(如圖2所示)。

圖2 合福官山底采空區(qū)局部綜合勘探示意

2 線路經(jīng)過采空區(qū)選線原則

對于鐵路通過采空區(qū)選線原則要從安全、經(jīng)濟(jì)考慮，根據(jù)兩個(gè)方面確定:①鐵路標(biāo)準(zhǔn)的高低;②采空區(qū)范圍的準(zhǔn)確度。

高速鐵路、客運(yùn)專線鐵路標(biāo)準(zhǔn)高，尤其是無碴軌道，沉降要求小，對線下工程變形要求極高。而地方鐵路、專用線等工程沉降限制要寬松很多。

大型采空區(qū)通常資料清晰，采掘邊界明確，同時(shí)受益于現(xiàn)代設(shè)備，開采的深度更深、范圍更廣。而較古老的采空區(qū)，由于管理體質(zhì)原因，通常邊界較為模糊，超采較為普遍。尤其是時(shí)代久遠(yuǎn)的采空區(qū)，范圍更是難以查明，不過該類采空區(qū)受通風(fēng)、照明影響，相應(yīng)的采掘深度要小得多。

因此，對于不同規(guī)模、形式的采空區(qū)，依照不同的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，需要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度綜合分析，確定出線路通過采空區(qū)合理的部位及方式。根據(jù)采空區(qū)選線實(shí)例，建議原則如表3所示。

表3 采空區(qū)鐵路選線原則

3 采空區(qū)附近鐵路工程監(jiān)測

由于采空區(qū)工程地質(zhì)的復(fù)雜性，鐵路在后續(xù)施工及運(yùn)營中還需要加強(qiáng)監(jiān)測。①對于正在開采的采空區(qū)而言，尚需根據(jù)相關(guān)鐵路安全保護(hù)法關(guān)停安全保護(hù)范圍內(nèi)的采掘工作，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)采掘情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，防止采空區(qū)移動(dòng)盆地邊界發(fā)生不利變化。②對于已停采的采空區(qū)，應(yīng)根據(jù)不同的鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沉降、變形監(jiān)測，對于采用注漿、強(qiáng)夯、跨越等方法通過采空區(qū)的工程除了工程檢測外，同樣需要進(jìn)行長期監(jiān)測。

4 結(jié)束語

采空區(qū)對鐵路工程線位影響巨大，尤其是對高標(biāo)準(zhǔn)的客運(yùn)專線鐵路更是如此。在采空區(qū)鐵路選線中，必須充分收集既有資料，多方走訪調(diào)查，輔以必要的勘探工作及計(jì)算分析，以查清采空區(qū)范圍及影響邊界，為線路方案做出可靠的分析評價(jià)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)數(shù)值計(jì)算及新的勘探手段的運(yùn)用。

［1］TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程［S］

［2］鐵道部工務(wù)局．鐵路公務(wù)技術(shù)手冊:路基篇［M］．北京:中國鐵道出版社，1993

［3］鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院．寧杭鐵路采空區(qū)勘察報(bào)告［R］．武漢:鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院，2007

［4］鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院．寧安城際鐵路采空區(qū)勘察報(bào)告［R］．武漢:鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院，2007

［5］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．合福線采空區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009

［6］周革，李時(shí)亮．寧杭客專宜長段采空區(qū)調(diào)查與評價(jià)［J］．鐵道勘察，2007(5):70－73

［7］趙建峰．采空(人為坑洞)研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(增刊):364－368

［8］魏安輝，曾德禮．路基采空區(qū)注漿效果檢查方法初探［J］．路基工程，2006(4):91－93