郑州至焦作城际铁路云台山支线在煤矿区的工程地质选线

张劳恩

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

大面积深层煤田采空是矿区普遍存在的不良地质现象,地下矿层大面积采空后,矿层上部失去支撑,平衡条件被破坏,地表从而发生变形,对当地的工农业生产带来极大的危害。郑州至焦作城际铁路是设计时速200 km的高速铁路,云台山支线也采用该标准,全长36.5 km，需穿越焦煤集团所属多处矿区及采空区,煤矿采空区是铁路地质选线的工作重点。

1 线位方案

本段根据沿线矿区、采空区分布,结合景区景点、线路走向,研究了东线、中线和西线3个方案,见图1。

1.1 东线方案(修武西接轨绕避采空区方案)

自修武西站引出向东北,跨大沙河及既有新月线,绕避新河煤矿,向北穿越古汉山井田,绕避张屯煤矿采空区后折向西北至云台山景区。该方案绕避了所有煤矿的采空区,但线路较长。

1.2 中线方案(修武西接轨穿越采空区方案)

线路自修武西站引出向北,跨大沙河及既有新月线,绕避新河煤矿、九里山煤矿,从古汉山煤矿采空区和九里山煤矿采空区间隙穿过,跨南水北调工程,中穿方庄煤矿采空区与冯营煤矿采空区向北至云台山景区。

1.3 西线方案(待王站南侧接轨西绕方案)

线路由新月线南侧线路所引出,跨过新月线,大跨跨越南水北调工程,绕避小马村煤矿采空区及塌陷区后,折向东北,沿方西公路向西,沿山前绕避小煤矿采空区,在云台山风景区停车场西侧设云台山站。

图1 云台山支线方案示意

2 煤矿采空区的工程地质特征

2.1 地形地貌

线路经过区域隶属太行山脉与豫北平原的交接地带,地势总体北高南低、西高东低,地形变化不大。地貌类型主要有冲积平原、山前倾斜平原、低山丘陵等类型。

2.2 区域地质及地层岩性

(1)区域地质

线路范围内大片地区被第四系所掩盖,仅在西北部山区有基岩出露。自燕山期以来新生成的各种构造形迹,以多期活动的高角度正断层为主,这些断层破坏了煤层的连续完整性。区内对煤田影响较大的主要为方庄正断层及界碑正断层,产状基本一致,走向大体北-南,倾向东,倾角约70°,在井田延伸长度4～10 km。

(2)地层岩性

第四系：黄土、红土,夹砾石、红土结核及砾石,砾石层为丰富含水层,厚50～120 m。

二叠系石盒子组：泥岩、粉砂岩、砂岩,顶部30 m风化成土黄色或黄绿色,厚50～350 m。

下二叠系山西组：粉砂岩、砂岩、煤层等,厚约70 m。煤层厚度约5 m，煤层产状150°～165°/10°。

2.3 煤矿开采情况

焦作煤炭的发现与开采有很长的历史。九里山煤矿、古汉山煤矿、冯营煤矿和方庄煤矿均为生产矿,现开采煤层埋深400～600 m,年产量60～120万t,均采用走向长壁采煤法,液压支撑,分层开采,采空区顶板自然垮落,回采率达到80%。经过近30年的开采,已形成规模巨大的采空区。通过搜集资料,已查明其分布范围(见图1)。

2.4 采空区的地面变形

由于煤矿的大面积开采,在地下形成了较大的采空区,根据现场调查,在九里山煤矿附近的村庄,上部地表已出现明显的下沉、塌陷,形成不规则的凹形盆地,多顷麦田在雨季形成了池塘,云台大道路面出现了下沉(见图2),最大下沉量约为1.2 m。同样,由于大面积采空,使赵蒋村、韩蒋村的多出房屋发生开裂(见图3),使得部分村民被迫搬迁。

图2 云台大道路基沉陷

图3 韩蒋村房屋裂缝

3 采空区的稳定性评价

3.1 采空区变形破坏边界计算

对于中线方案,根据采空变形的相关理论,煤矿采空区影响范围按照图4所示的边界进行计算

图4 采空区变形破坏边界计算

L=Hcotδ+hcotφ

式中φ——第四系移动角；

δ——边界角。

按照《铁路工程地质手册》[1]中关于煤矿移动盆地有关数值表,土层移动角取45°,岩层边界角取55°,根据该处煤层埋深和该段路基平均填方高度取四个角点为边界控制点(见图5)进行计算。

图5 采空区计算平面示意

单侧煤柱宽度=受护对象半宽+维护带宽度+第四系厚度+岩层厚度×cot 55°

计算结果表明,古汉山煤矿和九里山煤矿间的未开采区域宽度不足以满足铁路要求的最小安全距离,需要治理的采空区范围就是采空区边界和两条直线构成的阴影部分,面积为：

九里山煤矿需处理面积A1=128 334 m2

古汉山煤矿需处理面积A2=102 624 m2

面积合计A=A1+A2=230 958 m2

3.2 稳定性评价

综上所述,九里山煤矿和古汉山煤矿间的未开采区域不能够提供线路通过的安全廊道,中方案存在较大的安全隐患。

4 线路方案比选情况

线路方案比选情况如表1所示。

表1 方案比选

通过比选,推荐东线方案为贯通方案。

5 结论和建议

穿越采空区的中线方案,虽然线路长度最短,线路走向也较为顺直,但压矿长度长,对矿区影响大。更由于受采空区影响段落长达3.3 km(随着古汉山矿和九里山矿的采区向东南推进,采空区段落将继续增加),治理工程量巨大、治理效果较难保证,铁路运营后存在巨大的安全风险,建议线路绕避。

西线待王接轨方案虽可兼顾待王、青龙峡景区,但拆迁量、工程投资大,对沿线环境敏感点影响较大,对沿线关停小煤窑采空区进行处理,存在一定安全隐患,对军事禁区影响较大,工程实施难度大,应予以舍弃。

绕避采空区东线方案,已完全避开现状煤矿采空区,在与矿权单位办妥停采的法律手续并实施的前提下,可以确保铁路建设顺利实施及今后运营安全。

[1] 铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,1999

[2] 林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社,1996

[3] TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]