大面積深埋采空區(qū)對(duì)鐵路工程建設(shè)影響研究

孟文峰

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

1 引 言

隨著國(guó)家減排降碳方針的持續(xù)推進(jìn)，鐵路、水運(yùn)等節(jié)能運(yùn)輸因“公轉(zhuǎn)鐵”政策取得較快的發(fā)展，作為打通鐵路運(yùn)輸“最后一公里”的專(zhuān)用線(xiàn)工程，因其較公路擁有綠色、低廉、高效的天然優(yōu)勢(shì)，得到了礦業(yè)公司及運(yùn)輸行業(yè)的青睞。大面積采空區(qū)引起地表沉降、塌陷，對(duì)建構(gòu)筑物的安全運(yùn)營(yíng)影響很大。鐵路選線(xiàn)原則上應(yīng)繞避至各類(lèi)礦區(qū)(大面積采空)范圍外一定距離[1-2]，不能繞避的應(yīng)評(píng)價(jià)現(xiàn)有采空區(qū)及未來(lái)開(kāi)采活動(dòng)的影響[3-4]。目前，中淺層采空區(qū)對(duì)鐵路工程的影響大，相應(yīng)的研究成果也較多，徐彩風(fēng)[5]探討了大面積采空區(qū)不同等級(jí)鐵路選線(xiàn)原則；付仕科[6]等研究了沙午鐵路沿線(xiàn)硬巖地層中的采空區(qū)頂板穩(wěn)定性；馬亞坤[7]研究了小采深采厚比煤礦頂板的穩(wěn)定性；張鶴[8]通過(guò)工程實(shí)例應(yīng)用了采空區(qū)調(diào)查及繞避計(jì)算方法；尤耀軍[9]基于煤礦冒落巖石壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)了采空區(qū)工作面推進(jìn)過(guò)程中冒落巖層碎脹系數(shù)的變化規(guī)律；王亞林[10]等通過(guò)理論分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及灰色模型模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間與地表不均勻沉降具有密切聯(lián)系。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概況

擬建鐵路專(zhuān)用線(xiàn)工程長(zhǎng)9.372 km，場(chǎng)區(qū)屬魯西南黃淮海沖洪積平原區(qū)，地面高程介于33.5～36.5 m之間，地形平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，沿線(xiàn)村落繁多，坑塘溝渠密布，各等級(jí)公路往來(lái)穿梭，交通十分便利。

2.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)第四系地層全覆蓋，主要巖性為砂質(zhì)黏土及大量棱角狀巖石碎塊、河砂、礫石組成，厚度為150.8～280.0 m，平均厚度212.0 m。

下伏地層由老到新依次發(fā)育有奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭-二疊紀(jì)月門(mén)溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅-白堊紀(jì)淄博群三臺(tái)組。其中太原組和山西組為含煤地層。巖性主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖，其中太原組和山西組為含煤地層。

區(qū)內(nèi)侏羅-白堊紀(jì)淄博群三臺(tái)組中上部普遍發(fā)育中生代燕山期侵入巖。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造。

2.3 不良地質(zhì)問(wèn)題

擬建鐵路裝車(chē)站和部分區(qū)間線(xiàn)路位于煤礦采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)。

煤礦采區(qū)第四系地層發(fā)育，覆蓋全區(qū)，擬建線(xiàn)路沿線(xiàn)厚度215～235 m，平均厚度226 m，地層以黏土、粉質(zhì)黏土、砂層韻律沉積。頂板巖層以粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、泥巖為主，靠近中上部的侏羅-白堊紀(jì)淄博群三臺(tái)組中上部普遍發(fā)育中生代燕山期侵入巖，呈巖床分布，巖性主要為灰綠色輝長(zhǎng)巖，據(jù)井田鉆孔資料，擬建線(xiàn)路附近侵入巖床厚度123.6～143.0 m，底板埋深586～843 m，侵入巖層底板至煤層頂面一般大于300 m。

煤礦于2015年投產(chǎn)，目前仍在開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模為150萬(wàn)t/年，已形成采空范圍開(kāi)采標(biāo)高-1 260～-960 m，平均采深約1 000 m，開(kāi)采煤層為山西組內(nèi)3上煤，采用條帶法開(kāi)采，采區(qū)工作面延伸方向?yàn)镹S～NE之間，與線(xiàn)路走向近垂直，采厚2.4～2.8 m，采深采厚比約300，液壓支架機(jī)采，頂板管理為完全垮落法。目前井田采區(qū)西側(cè)工作面已停采，采區(qū)東側(cè)工作面充填開(kāi)采。

3 場(chǎng)地穩(wěn)定性理論分析

工程區(qū)屬于人員密集的魯西南平原區(qū)，礦區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)、自然村眾多，地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采礦活動(dòng)持續(xù)多年時(shí)間后，現(xiàn)采空區(qū)及影響范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地面沉降及因地面沉降造成的房屋開(kāi)裂、地面變形等現(xiàn)象，地面無(wú)地裂縫、臺(tái)階、塌陷坑。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044—2014)的規(guī)定，按照變形特征確定采空區(qū)場(chǎng)地為穩(wěn)定場(chǎng)地。

本場(chǎng)區(qū)煤層傾角約8°，采深多大于1 000 m，采深采厚比大于60，屬于深層采空區(qū)。采空區(qū)頂板以泥巖、砂巖為主，軟硬巖互層，頂板內(nèi)存在呈巖床分布的堅(jiān)硬侵入巖，層厚一般大于100 m，侵入巖層底板至煤層頂面一般大于300 m。

根據(jù)三帶理論，頂板依次為垮落帶、斷裂帶及彎曲下沉帶。煤層開(kāi)采后，頂板失去支撐垮塌，垮落帶巖石碎脹，并最終填滿(mǎn)開(kāi)采空間及垮落巖層本身的空間，其垮落帶最大高度Hm可按公式(1)計(jì)算

(1)

式中：M為采厚，m，本礦區(qū)最大采厚2.8 m，按此取值；k為垮落巖石碎脹系數(shù)，研究資料表明碎脹系數(shù)隨上覆壓力增大而減小，并穩(wěn)定在1.02附近；α為煤層傾角，°，據(jù)采掘圖煤層底板等高線(xiàn)求得約8°。

代入式(1)求得垮落帶高度

Hm≈141 m

厚煤層開(kāi)采后，斷裂帶最大高度可按公式(2)計(jì)算

(2)

計(jì)算得出

HIi≈33.4 m

計(jì)算可知垮落帶與斷裂帶厚度之和174.4 m，斷裂帶與地表之間的距離大于800 m，距離地表遠(yuǎn)；兩帶厚度小于堅(jiān)硬侵入巖床與煤層頂板距離，巖層垮落碎脹后填滿(mǎn)了開(kāi)采空腔及垮落巖層本身空間，巖床致密堅(jiān)硬，厚度大于100 m，可有效地調(diào)整地應(yīng)力的分布，起到托板[11]的作用；第四系蓋層厚度大于200 m，對(duì)抑制非連續(xù)變形向地表發(fā)展也可起到很好的正向作用。多因素綜合作用下，地下采空對(duì)地表影響小，地面只產(chǎn)生微小下沉。

4 模擬分析

midas GTS NX是為能夠迅速完成對(duì)巖土及隧道結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的“巖土隧道結(jié)構(gòu)專(zhuān)用有限元分析軟件”，能夠提供完全的三維動(dòng)態(tài)模擬功能。采用本軟件模擬煤礦開(kāi)采后地表沉降變形特征。

4.1 三維模型的建立

建立如圖1、圖2所示的三維巖土有限元模型。模型在x軸、y軸、z軸向的尺寸分別為3 520 m、4 000 m、1 410 m。地層由上至下分別為第四系覆蓋層、巖層、煤層、巖層。

圖1 三維有限元模型

圖2 采空區(qū)、鐵路荷載及集裝箱荷載作用

4.2 計(jì)算基本假定

(1)土體結(jié)構(gòu)等均按照各向同性計(jì)算；

(2)巖土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)體均采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型；

(3)土體與鐵軌結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移耦合；

(4)迭代計(jì)算方法采用Newton-Raphson法；

(5)收斂標(biāo)準(zhǔn)采用力和位移雙重收斂標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 模型材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)特征確定模擬中巖土體和結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

由模擬結(jié)果可知。

(1)煤層開(kāi)挖后的地面沉降呈對(duì)稱(chēng)形態(tài)，垂直開(kāi)采條帶長(zhǎng)軸方向，由中心向外沉降值逐漸減小，中心最大沉降約為54.81 mm；沿采空區(qū)長(zhǎng)軸方向，地表變形呈均勻沉降。鐵路軌道模擬沉降最大為3.93 mm，變形值微小。

(2)擬建線(xiàn)路為貨運(yùn)線(xiàn)路，設(shè)計(jì)行車(chē)速度40 km/h，采用有砟軌道，路基工后沉降可通過(guò)補(bǔ)充道砟的方式糾正變形，對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)影響小，符合鐵路專(zhuān)用線(xiàn)沉降要求。

(3)模擬鐵路下采煤過(guò)程與實(shí)際工程有區(qū)別，本工程系采后建設(shè)，地表活躍期已基本結(jié)束，地表下沉大部已經(jīng)完成，鐵路建設(shè)期剩余下沉量小，實(shí)際對(duì)鐵路工程安全影響更小。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

數(shù)值模擬因建模對(duì)象的尺度效應(yīng)、各向異性及非線(xiàn)性等眾多因素，不能完全反應(yīng)真實(shí)事件的發(fā)生過(guò)程，模擬數(shù)值必然和實(shí)際存在差異。沉降監(jiān)測(cè)是反映地表變形與地下采空相互作用的結(jié)果，分析變形特征、查明變形所處階段，評(píng)價(jià)場(chǎng)地穩(wěn)定性的直接手段。據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)煤礦公司提供了自2016年4月12日～2020年5月18日地表變形監(jiān)測(cè)資料，選取有代表性的C32、C40、D31、D49、M13、M31、N15、XZ5號(hào)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降分析，涉及的采空區(qū)工作面分別編號(hào)為1307、1309、2311、2313、5302、5307綜采工作面，各綜采工作面的基本情況見(jiàn)表2。

表2 各綜采工作面基本情況

整理長(zhǎng)達(dá)4年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取采空區(qū)內(nèi)代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制地表沉降隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

由監(jiān)測(cè)資料可知。

(1)沉降在平面上呈中間大外圍小的“碟形”，最大沉降點(diǎn)位于2311和2313開(kāi)采面連通開(kāi)采區(qū)域幾何中點(diǎn)附近，第二沉降中心位于整個(gè)采區(qū)幾何中心位置附近。下沉值向兩側(cè)逐漸減小，并繼續(xù)向采空區(qū)外側(cè)擴(kuò)展，采區(qū)西側(cè)移動(dòng)盆地邊緣距1307工作面水平距離約701 m(對(duì)應(yīng)下沉10 mm確定)。

(2)采空區(qū)同一條帶上不同點(diǎn)位沉降差異較大，靠近端部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如N15和M31沉降微??；越靠近采區(qū)中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如M13和D49等沉降逐漸變大。

(3)D31和M13監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在工作面，吻合條帶開(kāi)采條件，地表最大下沉值分別為120 mm和49 mm。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，由于D31距2311和2313開(kāi)采面連通開(kāi)采區(qū)域最近距離僅458 m，且相對(duì)更接近整個(gè)采區(qū)幾何形心，導(dǎo)致D31下沉值明顯增大。

(4)最大沉降點(diǎn)位于2311和2313開(kāi)采面連通開(kāi)采區(qū)域幾何形心位置附近，該區(qū)域2313和2311順序開(kāi)采，開(kāi)采寬度達(dá)400 m，已接近長(zhǎng)臂開(kāi)采，頂板受重復(fù)采動(dòng)影響，地表沉降值相對(duì)較大，最大下沉系數(shù)0.115，而其他開(kāi)采條帶最大下沉系數(shù)均小于0.063。表明合理確定開(kāi)采帶寬及剩余煤柱寬度，是遏制變形向地表發(fā)展的關(guān)鍵措施。

(5)規(guī)范[12]計(jì)算地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間T=1 822 d，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線(xiàn)表明，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間均短于15個(gè)月，表明條帶開(kāi)采可以顯著縮短地表總移動(dòng)期，有利于場(chǎng)區(qū)內(nèi)作為建設(shè)場(chǎng)地的后續(xù)開(kāi)發(fā)。

6 結(jié) 論

對(duì)大面積深埋采空區(qū)，當(dāng)頂板巖層內(nèi)存在大厚度堅(jiān)硬巖層，采用條帶開(kāi)采法，控制條帶開(kāi)采的寬度，可以有效的遏制采空區(qū)頂板巖層冒落、斷裂向地表發(fā)展，地表下沉系數(shù)小，下沉量微小，可有效地減小對(duì)地表建筑物造成的危害；實(shí)際觀測(cè)的地表移動(dòng)延續(xù)期短于15個(gè)月，遠(yuǎn)低于規(guī)范理論公式計(jì)算值，表明該條件下地表變形可較快達(dá)到穩(wěn)定，有利于采空區(qū)重新作為建筑場(chǎng)地進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)。

綜上所述，該場(chǎng)地適宜鐵路工程建設(shè)。