红神铁路边不拉煤矿采空区稳定性评价

刘世春

1 工程及地质概况

1)工程概况。红神铁路专用线位于陕西省神木县境内,为连接既有包西铁路及新建包西铁路通道的运煤专用线,设计标准为国铁Ⅰ级。该铁路DK28+700～DK29+600段以路堤形式通过边不拉煤矿采空区,路堤高度一般为2 m～10 m。2)地形地貌。工点位于考考乌素沟右岸,毛乌素沙地边缘风沙堆积区,地形较平缓,地势开阔。3)地层岩性。工点范围内自上而下地层为第四系全新统风积细砂,厚度约6 m～17 m,第四系上更新统冲积、湖积细砂,厚度约11 m～28 m,下伏侏罗系中统砂岩,产状近水平;煤层就分布于砂岩层,厚度约6 m～7.5 m。

2 采空区稳定性分析

2.1 煤矿采空区特征

边不拉煤矿为集体村属煤矿,井田面积2.99 km2,设计能力为3.0万 t/年,2002年9月开采,两主斜井分别在DK28+240左120 m,DK28+260左80 m,通风井约在DK28+200左120 m处,其开采方式采用主副平硐,主巷道配以支巷道向两侧呈网格状或“干”字形开采,采煤方式为炮采落煤,一般采宽7 m留7 m煤柱,采高约4.1 m～4.3 m,留顶煤,不放顶,采空率一般可达 50%以上。中央并列式通风,人工装煤,防爆小四轮运输(见图1)。

2.2 采空区勘探情况

在收集煤矿开采巷道图和访问的基础上,对线路通过边不拉煤矿矿区段落沿线路按左60 m,中、右60 m布置了3条物探探测线,物探结果显示:DK28+700～DK29+600段存在采空区低阻(高密度电法)异常。并在DK28+752,DK28+815,DK28+855,DK29+280,DK29+540 5处布置钻探对中线物探采空异常点进行了验证。

钻探显示,DK28+815,DK28+855,DK29+540位置钻孔均钻至采空巷道上,较好的验证了物探测试判断结果。

2.3 采空区稳定性分析

2.3.1 定性分析

《铁路工程地质手册》中,铁道第一勘测设计院根据阳涉铁路小煤窑采空的具体特征:以斜井为主,主巷道呈网格状,支巷道间距为25 m～30 m,支巷道断面宽2 m～2.5 m,高 2.5 m～3.0 m,一般为房柱式开采,最后形成25 m～30 m、高6 m、宽6 m的采空腔,采完即封闭。给出了判断小煤窑采空区稳定性的判断标准:Ⅰ为可能塌陷区,顶板厚度小于30 m时,所有工程需处理;Ⅱ为可能变形区,顶板厚度30 m～60 m,重点工程应处理;Ⅲ为基本稳定区,顶板厚度大于60 m,一般工程不处理,重点工程结合工程的重要性综合考虑。

本段工程为路堤工程,顶板换算厚度约为40 m～63 m(见表1),对比以上小煤窑采空区稳定性判断标准,该采空区属可能变形区,重点工程应处理,路堤工程属一般工程,可不处理。

但小煤窑采空区稳定性判断标准煤窑采空条件与边不拉煤矿开采实际情况不符:边不拉煤矿虽为村属煤矿,采宽7 m留7 m煤柱,采高约4.1 m～4.3 m,留顶煤,不放顶,回采率约为 33%～35%,但采空率高达约50%,早已不属于传统意义上的小煤窑,但又不属于大煤矿采空(回采率较低)。据此判定边不拉煤矿采空区的稳定性已失去意义。所以对其稳定性需另进行计算分析。

2.3.2 定量计算分析

1)采空区顶板稳定性的力学计算。根据《铁路工程地质手册》第389页4-5-5公式:

其中,2a为巷道宽度,7 m;φ为岩层的内摩擦角,煤层采空后,巷道围岩为砂岩,内摩擦角 φ=60°～ 73°,分别取 60°,73°(包西铁路通道砂岩内内摩擦角采用值为60°)。对采空区顶板稳定性计算其临界深度H0,见表1。

表1 巷道顶板临界深度 H0计算表

由表1可以看出,当内摩擦角为73°(基岩通用采用值),60°(包西铁路通道采用值)时,采空区顶板换算厚度基本小于H0,采空区上的所有建筑工程均需处理。

2)采空区地基稳定性计算。根据《铁路工程地质手册》第389页4-5-7公式:

本段为路基工程,路肩高程基本与地面高程一致,当不考虑列车荷载及轨道荷载,即R=0时,4-5-7公式变为4-5-4公式,同样可以得到此时地基稳定性评价的计算结果,见表1。

同理,H≤H0,故判定顶板及地基不稳定,所有工程需处理(注:以上计算分析是基于顶板为基岩,第四系地层以3∶1换算成基岩厚度进行计算的,未对顶板地层进行分层计算)。

可以发现集成误差由三部分组成，第一个为系统误差；第二个为系统的平方偏差，是模型预测值与真实值的差值平方，由于预测（分类）系统中真实值无法获取，该误差是一个有用的理论概念；第三个是方差，体现了各基分类器预测值在均值周围的波动程度。

3)采空区顶板垮落断裂带高度计算。煤层开采后,上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带,岩石被断裂成块状,岩块之间存在较大的裂隙。在断裂带,岩层产生断裂、离层、裂隙,岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带,岩层基本呈整体下沉,破坏轻微。因此,垮落带、断裂带的岩层虽然经过多年的压实,仍不可避免地存在裂隙和离层,其抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度。如果建筑物荷载传递到这两带,势必加大建筑物的不均匀沉降,甚至造成建筑物破坏。垮落断裂带发育高度主要与煤层采厚、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等因素有关。

根据《工程地质手册》第285页3-5-2公式:

其中,Hli为垮裂带的高度;M为采厚(4.1 m～4.3 m);a,b,c均为与覆岩物理力学性质有关的系数,顶板岩性为侏罗系砂岩,采用《工程地质手册》第285页表3-5-1数据,分别为1.6,3.6,5.5。

计算:Hli=41.0 m～46.5 m/40.4 m～45.9 m。

而该采空区顶板岩层厚度为27.8 m～53.8 m,采空区小里程端顶板岩层厚度基本小于垮裂带厚度Hli,换算顶板厚度H也基本小于或接近Hli(46.5 m),这表明地表路堤工程直接置于垮裂带上部,路堤工程可能产生较大沉降变形。为控制路堤沉降,需对垮裂带进行处理。

4)采空腔(巷道)坍塌平衡法。根据《铁路工程地质手册》第379页公式:

表2 采空坍塌高度h计算表

显然,采空腔(巷道)顶板换算高度仅 39.6 m～62.7 m,均小于采空腔坍塌高度h(70 m),地表会出现较大沉降。

5)采空腔(巷道)顶坍塌堵塞法。根据《铁路工程地质手册》第380页公式:

其中,h为坍塌土体高度;h0为洞穴原高度;K为岩体胀余系数,取1.1～1.15。

经计算h=27 m～43 m。

故据此判断,本段采空区顶板坍塌会严重影响地面沉降变形。

3 结语

2007年8月29日3:00左右,边不拉煤矿在本段线路左侧约1 km处,发生大面积坍塌,引起3级地震,坍塌面积约300亩～500亩,地面最大裂缝错断高差约30 cm,裂缝水平间距约 2 cm～5 cm,2007年10月17日再次察看时,地面裂缝范围已向外延伸约50 m。经访问该矿矿长及技术人员,坍塌区开采情况基本与线路通过位置相同,仅回采时放炮落顶煤,空腔高度增加至6 m～7 m,最长开采时间不足5年。较好的证明以上定量计算的可行性,特别是规范中的计算是偏于安全,更符合现实情况。综上分析:边不拉煤矿采空区顶板及地基处于极不稳定状态或塌陷临界塌陷状态。该采空区由于埋深较大(70 m～88 m),采空率达50%,采用回填处理危险性大,灌浆处理费用高,最终该段改线以桥沿考考乌素沟河谷而上以绕避采空区。

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

[2]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3]TB 10012-2007,铁路工程地质勘查规范[S].

[4]GB 50123-99,土工试验方法标准[S].

[5]TB 10013-2004,铁路工程物理勘探规程[S].

[6]GB 50021-2001,沿途工程勘察规范及规程[S].

[7]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[8]张俊英.老采空区新建住宅楼裂缝原因及防治措施[J].矿山测量,1999(2):88-89.