某煤礦采空區(qū)安全廊道穩(wěn)定性分析

張勞恩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

焦作市位于河南省西北部，境內(nèi)煤炭資源豐富。某規(guī)劃建設(shè)的城際鐵路從焦作市東部通過，鐵路走向為近南北向。該區(qū)域內(nèi)的煤礦主要有方莊煤礦、馮營煤礦、白莊煤礦、九里山煤礦、古漢山煤礦等，且大部分煤礦仍有開采活動。為減少占壓煤炭資源和保證鐵路安全運行，規(guī)劃的鐵路線位已對大部分煤礦區(qū)域進行了繞避，但古漢山煤礦和九里山煤礦東西相連，范圍巨大，線位難以完全繞避。目前，發(fā)現(xiàn)在兩礦之間存在一處正斷層形成的狹長地塹區(qū)域(見圖1)，在該區(qū)域內(nèi)，古漢山煤礦和九里山煤礦均未對煤炭資源進行開采，但其東西間距較窄，需對該安全廊道的穩(wěn)定性進行分析，以確保鐵路的運行安全。

圖1 安全廊道位置示意

已有許多學(xué)者對鐵路通過采空區(qū)的問題進行了相關(guān)研究。李傳寶等認為，采用樁板結(jié)構(gòu)可有效控制采空區(qū)內(nèi)的路基變形[1]；梁玉等對宜賓地區(qū)的采空區(qū)進行了勘探，得出了路基挖方形式優(yōu)于隧道形式的結(jié)論[2]；另外，郝登云等研究了煤層回采巷道失穩(wěn)機理及其控制[3-4]；郭慶彪等基于云模型與模糊層次分析，對老采空區(qū)建設(shè)場地的穩(wěn)定性進行了評價[5]。以下基于前人的研究方法，采用現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、物探和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合勘探方法，對某煤礦采空區(qū)安全廊道的穩(wěn)定性進行分析。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

修武以北至方莊以南廣大區(qū)域為沖積平原區(qū)，地勢平坦開闊。表層為第四系全新統(tǒng)硬塑狀粉質(zhì)黏土、粉土，厚2～20 m，下部為粉質(zhì)黏土、細砂，工程地質(zhì)條件一般，局部存在地震液化層。方莊以北至云臺山車站為山前傾斜平原區(qū)，地形較為平緩，北側(cè)為低山丘陵，地形起伏較大，局部地帶有交接洼地和崗地分布。

2.2 地層巖性

該區(qū)域表層為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，厚2～8 m，軟塑-硬塑；其下為粉土、細砂層，稍密-中密，厚5～15 m；下部為卵石土、粗圓礫土。底部分布有二迭系砂質(zhì)泥巖、細砂巖；石炭系灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、煤層；奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r、白云巖等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造體系為新華夏構(gòu)造，其次為緯向構(gòu)造帶及北西向構(gòu)造帶。這些構(gòu)造帶中，近期有明顯活動的為新華夏系，其次為緯向構(gòu)造帶及北西向構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地表大部分被第四系地層所覆蓋，自燕山期以來，各構(gòu)造以多期活動的高角度正斷層為主。主要斷裂有薄壁斷裂、九里山斷裂、百泉斷裂、新鄉(xiāng)-浴河斷裂、鳳凰嶺斷裂等，對工程影響較小。

2.4 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)域地處太行山?jīng)_洪積扇群的前緣，多為松散沖積物覆蓋。地表水有新河，由西向東流經(jīng)勘探區(qū)南部。地下水主要有碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，碎屑巖類砂巖裂隙水，第三系、第四系沖積層孔隙水。主要隔水層有第三系和四系底部的黏土層、煤層及灰?guī)r。

3 煤礦開采情況

3.1 主采煤層

區(qū)域內(nèi)主要含煤地層有：二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層，厚度為50～70 m?？刹擅簩又饕挥诙B系下統(tǒng)山西組，厚度為4～8 m。煤系地層向南東緩傾，呈單斜構(gòu)造，傾角為10°～16°。

3.2 開采方法

采煤方法為走向長壁頂板全陷落法。由于煤層較厚，采取分層開采方式[6-8]，分層高度為2.3～2.5 m，并根據(jù)煤層厚度的變化分2～3層進行開采。

3.3 擬建鐵路附近煤層開采狀況

擬建鐵路線位于九里山礦與古漢山礦之間的地塹區(qū)域。線路西側(cè)為九里山礦13采區(qū)、15采區(qū)，東側(cè)為古漢山礦14采區(qū)、16采區(qū)。開采順序均為自北向南，其中線路西北側(cè)九里山礦13 采區(qū)大部分煤炭資源已基本采完，采出煤層厚5～7 m，采深200～450 m，線路西南側(cè)九里山礦15 采區(qū)僅對上分層進行了開采，采出煤厚約2.5 m， 采深450～500 m。線路東北側(cè)古漢山礦14 采區(qū)大部分煤炭資源已基本采完，煤層厚5～7 m，采深150～300 m；線路東南側(cè)古漢山礦16采區(qū)僅對上分層進行了開采，采出煤厚約2.5 m，采深300～450 m。評估范圍內(nèi)已開采區(qū)域如圖2所示。

圖2 評估區(qū)已開采范圍示意

4 地表變形預(yù)測

4.1 地表變形模型

由焦作礦區(qū)已有的地表觀測資料及《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》可知，該區(qū)域的地表變形規(guī)律符合概率積分法模型的基本特征。因此，可采用概率積分法預(yù)計模型對該區(qū)域的地表變形進行概化分析[9-11]。

(1)地表任意點下沉計算

根據(jù)概率積分法的基本原理，對于矩形開采工作面，傾斜煤層中某開采單元引起地表任意點Q(x，y)的下沉值為

We0i(x，y)=(I/r2)×exp(-π(x-xi)2/r2)×

exp(-π(y-yi+li)2/r2)

(1)

式(1)中，r為影響半徑(r=H0/tgβ)；H0為平均采深(li=Hi×ctanθ)；θ為下沉角；β為影響角； (x,y)為地表任意一點Q的坐標。

地表任意點的變形量(垂直方向)為

(2)

式(2)中，W0為最大變形值(為mqcosα)，其中，q為變形系數(shù)；P為開采面走向長；a為開采面在傾斜方向的水平距離。

式(2)可簡化為

(3)

式(3)中，W0為充分采動時地表最大變形值；W°(x)為充分采動時主斷面上橫坐標為x點的變形值；W°(y)為充分采動時主斷面上橫坐標為y點的下沉值。

由式(1)～式(3)，可推導(dǎo)出地表任意點Q(x,y)的移動變形值?？赏ㄟ^對單元下沉盆地求方向?qū)?shù)，然后在整個工作面上進行積分求解。

(2)多開采面影響疊加

根據(jù)疊加原理，對單個工作面開采引起的地表下沉進行疊加，即可獲得多工作面開采的聯(lián)合影響。

4.2 地表變形計算

現(xiàn)狀開采條件下，截止至收集資料時間為止，按考慮斷層的抑制作用，對已開采區(qū)域所形成采空區(qū)引起的地表總沉陷變形量進行計算[12-15]，地表變形預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 評估區(qū)地表沉降等值線(單位：mm)

由圖3可知，評估場地位于九里山礦塌陷盆地與古漢山礦塌陷盆地的邊緣疊加區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，受斷層的抑制作用，地表變形呈現(xiàn)出兩側(cè)大、中間小的形態(tài)。其中，兩條斷層所夾區(qū)域西側(cè)的最大變形量達到了400 mm，東側(cè)的最大變形量為40 mm，中間區(qū)域的變形量較小，一般為2～20 mm。

5 安全廊道穩(wěn)定性分析

5.1 路基下沉的附加影響

如果采動導(dǎo)致路基的過量下沉，路基將會發(fā)生沉陷破壞，參考《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》，對路基工后沉降的規(guī)定為：Ⅰ級鐵路不應(yīng)大于20 cm，路橋過渡段不應(yīng)大于10 cm，沉降速率均不應(yīng)大于5 cm/a。根據(jù)數(shù)值模擬的分析結(jié)果，在采動過程中，部分區(qū)域的地面沉陷很容易超過這個限制。因此，需要對采空區(qū)影響范圍內(nèi)部分路基進行處理。

5.2 安全廊道穩(wěn)定性分區(qū)

考慮地表變形的穩(wěn)定程度受煤層厚度、埋深、開采方式、形成時間等多種因素的影響，按穩(wěn)定程度將評估場地共分為三個大區(qū)(見圖4)。

(1)穩(wěn)定區(qū)(綠色)：該區(qū)域位于線路西北側(cè)靠近礦界的煤層露頭處，無開采活動，未來開采的可能性小，也不受周圍采空區(qū)影響。該區(qū)域適宜作為擬建鐵路場地，可不考慮加固措施。

(2)基本穩(wěn)定區(qū)(黃色)：該區(qū)域主要位于線路西北側(cè)九里山礦13采區(qū)與東北側(cè)古漢山礦14采區(qū)老采空區(qū)影響范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)的大部分煤炭資源已基本采完，且開采時間較長，采空區(qū)已基本穩(wěn)定，地表變形已基本結(jié)束，已進入殘余變形階段。該區(qū)域作為擬建鐵路場地基本適宜，應(yīng)采取必要的加固措施。

(3)穩(wěn)定性差區(qū)(紅色)：該區(qū)域大部分位于線路西南側(cè)九里山礦15采區(qū)、13采區(qū)部分工作面與線路東南側(cè)古漢山礦16采區(qū)、14采區(qū)部分工作面采空區(qū)影響范圍內(nèi)，該區(qū)域僅對煤層上分層進行了開采，且開采時間較短，地表變形仍處于活躍期，采空區(qū)上方地表下沉量的變形速率大于50 mm/月。且該區(qū)域還可能遭受煤層下分層開采的影響，地面變形會進一步加劇。該區(qū)域不適宜作為擬建鐵路場地。

圖4 評估區(qū)地表穩(wěn)定性分區(qū)

6 結(jié)論及建議

(1)受地質(zhì)構(gòu)造控制，該鐵路沿線采空區(qū)間存在有尚未開采的條帶狀廊道，通過現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值模擬，認為在現(xiàn)狀條件下，安全廊道多屬基本穩(wěn)定場地，在采取適當措施后，可以進行鐵路建設(shè)。

(2)采空區(qū)及周邊地表變形形式復(fù)雜，對鐵路運營安全影響很大，需對其引起的安全隱患有足夠的重視。建議采取以抵抗變形為主的工程措施，并建立地面變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以確保鐵路的運營安全。