铁路大型多层复杂采空区稳定性评价

王清秋

(中铁济南工程技术有限公司，山东济南　250022)

新建东平铁路为Ⅱ级铁路，线路DK1+360～DK3+522段经东都镇沈村矿区，沿线跨越采空区2.16 km，铁路下有4～5层富水煤层采空区分布。该段采空区开采历史悠久，具有规模大、层数多、开采无规律、水文地质与工程地质条件复杂、开采资料不完善等特点。受复采影响，地面持续下沉，短期内不能达到稳定，严重影响了铁路的建设与安全运营。

1　采空区概况

该矿区于清朝末年即对煤层露头附近浅层煤进行开采，20世纪50～70年代主要开采高程+75 m以上汶南F2断层(DK2+600)以东的11、13、15煤层，并水砂充填；20世纪80年代至今，多个地方煤矿先后在该矿区内进行大面积开采，总计具有一百多年的开采历史，开采情况比较复杂。该矿区范围内自上而下主要可采煤层为9、11、13、15、17煤层，均以18°±北东向倾斜，各层煤统计如表1。

表1　铁路下各煤层采空情况统计

2　采空区稳定性计算与评价

为准确计算采空区变形情况，设计中采用钻探、物探、地质调绘以及资料收集等方法对该采空区进行了详细勘察，取得了科学的地质参数。依据地质参数，采用理论计算与FLAC3D离散元模拟进行计算分析，综合评价采空区的稳定性。

2.1　理论计算法

根据文献[1]、[2]推荐公式及文献[3]基本理论，结合煤层倾斜程度、采厚、采煤方式、顶板管理方式、开采时间等对采空区稳定性进行计算，剩余沉降量(mm)为

W剩余=n×η×m×cosα

(1)

式中，η为下沉系数，水砂充填时取0.2，未充填时取0.8；m为煤层开采厚度(m)；α为煤层倾角，取18°；n为剩余下沉系数，根据采空区活跃期、衰退期、稳定期变形量与时间的关系[4]，及采空区治理经验，剩余下沉系数按表2选取。

表2　采空区稳定性计算参数统计

依据表2计算参数及理论公式计算，铁路下采空区剩余下沉量为569.2～769.4 mm，平均剩余沉降为690.5 mm，大于规范中工后沉降量小于300 mm[5]的要求。

2.2　FLAC3D离散元分析法

FLAC3D离散元软件因自身强大的功能，广泛应用于地下洞室、隧道工程及矿山工程等领域[6]，采空区的剩余变形取决于岩石物理力学性质、矿层的倾角、开采深度、矿层厚度、冲洪积层厚度等因素综合影响，合理建立数值模型，科学选取计算参数，是采空区地面变形计算的核心问题。

(1)参数的选取

现场通过钻孔取芯，对各煤层采空区顶板岩石进行了226组试样的现场和室内试验，分别进行岩体RQD量测，岩石天然密度、含水率，天然和饱和状态下的岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及单轴压力作用下的变形试验，获得各层顶板岩石的力学性质参数，结合采空区顶板各层围岩岩体结构特点，采用类比法与类似岩性和岩体结构类型条件下的岩体物理力学参数进行比较，合理选取各煤层采空区顶板、第四系覆盖层计算参数(见表3)。

表3　采空区顶板岩土体物理力学参数取值一览

(2)模型的建立及分析

依据地质资料及采空区情况，选取具有代表性的3段分别建立模型，模型尺寸为800 m×400 m×400 m。模型采用位移固定边界体系，地表为自由面，整个三维地质模型共划分34 656个单元和195 572个节点，其中采空部分采用零单元(null)模拟，弹塑性本构模型，破坏准则采用摩尔一库仑屈服准则，以计算采空区地表剩余沉降，模型见图1。根据表3的各采空区顶板物理参数计算分析，该采空区的剩余沉降量为559.0～803.0 mm，平均剩余沉降量695.3 mm。

图1　采空区FLAC-3D模型

(3)稳定性综合评价

根据理论计算与离散元数值模拟两种方法综合分析，该采空区最小剩余沉降量为559.0 mm，平均剩余沉降量为692.9 mm，为规范[5]规定最大工后沉降量的231%。目前地表裂缝、塌陷坑等不良地质灾害正在发育，综合评价该采空区为不稳定区。

3　结束语

煤矿采空区受地层岩性、开采时间、开采方式、复采情况等影响，采空区变形规律更为复杂，稳定持续时间较长，本文采用理论计算与数值模拟相结合综合评判方法，对采空区的剩余沉降进行了合理的分析，提高了采空区场地地基稳定性评判结果的可靠性和准确程度，从而可以根据项目的特点等综合判定，为采空区是否需要治理提供理论依据。

[1]林宗元.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995

[2]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[S].北京:煤炭工业出版社，2000

[3]邹友峰.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2000

[4]山西省交通厅.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[M].北京:人民交通出版社，2005

[5]TB10001—2005铁路路基设计规范[S]

[6]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007