阜淮线K69～K70段采空区线路改造方案稳定性评价

王其合 祝建农

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200333)

阜淮铁路是安徽省淮北平原南部的煤运干线。铁路呈西北—东南走向,北起阜阳枢纽袁寨站(不含),途经颍上、凤台,南至淮南站(含),全长114 km。为增强华东地区煤炭运输通道能力,2007年铁道部决定对阜淮线实施电气化改造。在可研中,研究了提速160 km/h改造方案和按120 km/h对部分缓和曲线长度不满足技术要求的地段进行改造设计的两个方案。

阜淮线K69～K70段线路左侧为淮南新集一矿采空区,310 m以外发育大面积的塌陷湖,既有线以路堤形式通过采空变形区外侧边缘。在提速改造方案研究中拟将该段线路曲线半径由1000 m改为1600 m,线路需向左侧(采空变形区侧)最大偏移43.9 m。采空区地表变形区的合理划分与稳定性评价,将是确定该段线路改造方案的主要依据。

1 测区工程地质条件简述

工点处为淮河冲积平原之二级阶地,地势较平坦、开阔,地面高程25 m左右。既有阜淮线以路堤形式通过,路基高约2 m。

测区内地层自上往下依次为：第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系及下元古界,其中二叠系的山西组和下、上石盒子组为主要含煤地层。第四系由细砂、中砂以及粉砂和粗砂与黏土或粉质黏土相间组成,线路附近最大厚度162 m；第三系和二叠系以砂岩、泥岩和砾岩为主,石炭系—寒武系以灰岩、白云岩为主,底伏元古界片麻岩类。

新集一矿位于淮南复向斜之谢桥向斜南翼,颖凤阜凤推覆构造的中段。构造线方向总体呈北西西向展布。

地下水主要为基岩裂隙水。

2 采空区地表变形现状调查与分析

2.1 煤矿概况

新集一矿属淮南新区,1993年7月投产,矿井设计能力3.0 Mt/a。井田西距凤台县城约17 km,东与新集二矿相接,东西走向长6.5 km,南北平均倾斜宽约4 km,井田面积约26 km2。

井田地层总体呈近东西走向,倾向北,地层倾角5°～25°。矿井开拓方式为立-石门-集中大巷布置方式,分三个开采平面,高程分别为-450 m、-600 m和-800 m。目前已开采到6-1煤层(见图1)。采用综放开采,全陷法管理顶板。

图1 地表变形区边界计算(单位：m)

2.2 采空区分布情况

煤矿沿着既有线的保护边界开始开采,线路左侧距线路最近处各煤层的开采情况见表1。

表1 各煤层开采情况一览

2.3 采空区地表变形现状调查

据现场地质调绘,采空区塌陷面积较大,塌陷形成了大面积的水域,铁路附近水域边界基本沿着13-1煤层开采边界形成,距既有线左侧约310 m。铁路左侧100 m内建筑尚未发现变形和破坏,目前既有铁路运营良好。

2.4 采空区地表移动及变形预测

在采空区,预测地表移动与变形可以为采空区铁路勘测设计提供依据。淮南矿区通过建立地表沉陷观测站,获得了长壁全陷法开采条件下的地表移动延续时间规律[1]。经综合分析,地表移动延续总时间T总(单位：d)与开采深度H(单位：m)之间的关系为

T总=203+0.7H

设停产延续时间为T停,当T停>T总时,则可认为地表采空区地表沉陷变形已趋于稳定。

11-2煤层最大开采深度363 m,计算T总为458 d,按最近停采时间为2005年11月,停采至2007年5月(方案研究时间),按18个月计算,T停为 540 d；如以最深开采工作面的6-1煤层为例,其最大开采深度为478 m,计算T总为538 d,其最近停产时间为2003年5月,停采至2007年5月,T停已超过1 460 d。因此，离线路最近的开采工作面采空地表预测沉陷变形已趋于稳定。

3 采空区地表变形区划分及稳定性评价

3.1 采空区地表变形区分类

《铁路工程地质手册》[3]将采空区地表变形划分为均匀下沉区、危险变形区和轻微变形区3个区域,各变形区一般特征见表2,并规定在均匀下沉区和轻微下沉区可进行一般性对沉降不敏感建筑的建设,危险变形区应避开。

3.2 采空区地下隐伏边界和地表变形区的计算与分析

根据《安徽省淮南矿区采煤沉陷情况报告》,淮南矿区地表移动角量参数综合分析成果如表3。

表2 采空区地表变形区分类及特征

表3 淮南矿区地表移动角量参数综合分析成果

其中δ为走向角、γ为上山角、β为下山角、φ为第四纪移动角、α为煤层倾角。本区属老区，据剖面资料结合表3,第四纪覆盖层厚度取162 m,以开采最深的6-1煤层计算,采空区底板深度505 m,岩层上山移动角γ取66°,第四纪覆盖层的移动角φ取45°,γ0=54°, 可以算出在煤层倾向上山方向上,既有阜淮铁路左侧94.3 m范围内为轻微变形区,以外为危险变形区,见图2。

图2 塌陷区移动盆地地表变形分区示意

3.3 采空区对线路方案的稳定性影响评价

通过上述计算与分析,既有线左侧94.3 m范围内属轻微变形区,而改建线路方案位于既有线左侧43.9 m,线路位于轻微变形区内,预测地表的变形值较小,线路以一般路基工程通过,方案可行。

4 结论与建议

(1)在采空区开展工程地质选线时,应高度重视收集矿区各类资料。采空区移动盆地边界及沉陷变形预测计算参数应以矿区地表沉陷观测站资料为依据,进行综合研究和分析,在此基础上详细划分地表变形区的范围。

(2)既有线位于采空区移动盆地沉陷变形区边缘外侧,经过多年的运营监测,路基稳定。

(3)既有线左侧94.3 m范围内属轻微变形区。本次研究的改建线路方案位于轻微变形区内,预测地表的变形值较小,且沉降以趋于稳定,线路以一般路基工程通过,方案可行。在工程设计中建议采用路基加宽、预留沉降量、设置土工格栅等措施,确保线路安全可靠；运营中应加强沉降与变形的观测。

(4)本文采用综合分析和理论公式计算,简捷有效地得出结论,为改造方案比选提供了依据,可供在类似地区工作参考。

[1]辽宁工程技术大学.安徽省淮南矿区采煤沉陷情况报告[R].沈阳： 辽宁工程技术大学,2002

[2]国投新集能源股份有限公司.新集一矿补充地质勘察报告[R].淮南：国投新集能源股份有限公司,2003

[3]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

[4]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[5]TB10027—2001 铁路不良地质勘察规程[S]

[6]TB 10035—2006 铁路特殊路基设计规范[S]