包西铁路毛乌素沙地大面积煤矿采空区地质选线研究

孙宝忠，胡清波

(中铁工程设计咨询集团有限公司地路院，北京 100055)

1 概况

新建包西铁路通道包头至神木段位于内蒙古包头市、鄂尔多斯市和陕西省神木县境内，南端与既有神延线铁路连接，线路全长239.7 km，是国家路网“八纵八横”主骨架包头至柳州南北铁路大通道北段，线路大致呈南北走向。

本线经过的乌兰木伦河沿线煤炭资源丰富，侏罗系等煤系地层分布广泛，煤层厚度大，煤矿开采历史悠久，采空区分布广、规模大，埋藏条件复杂多样，不仅有众多历史悠久的古窑，也有正在大范围开采的新近矿区，致使采空区分布情况复杂，勘察和处理难度大。大面积煤矿采空区地质灾害给当地的工农业生产带来极大的危害。煤矿采空区及资源压覆等因素控制明显，是本项目铁路地质选线的工作重点和重要因素。

2 线位方案

根据沿线煤矿采空区分布及煤矿资源的压覆等因素的控制，结合线路走向，综合比选和研究了大保当接轨(贯通)和红柳林接轨(比较)两大线路走向方案，如图1所示。

图1 大保当接轨方案和红柳林接轨方案示意

2.1 大保当接轨方案

线路自ICK124+000出鄂尔多斯站，沿东南行进至油房沟后折向西南，于皂火壕附近上跨在建东乌铁路，跨越府神公路后到达中鸡镇。在锦界井田、红柳林井田、柠条塔井田西侧设锦界煤炭装车站，再沿河则沟而下，跨秃尾河、袁家沟、黑龙沟，至比较终点神延线大保当站。线路全长138.818 km。

2.2 红柳林接轨方案

线路顺昆独龙沟而下，跨铜匠川，与既有包神线同走行于昆独龙沟东岸。在新沙沙圪台设站后南行，跨东乌兰木伦河，沿其西岸南行。跨越伊金霍洛旗乌兰木伦煤田、神木县大柳塔矿区(采空区)后，于大柳塔镇朱盖塔村以桥梁的形式上跨既有包神铁路，随后转入窟野河河谷区，走行于乌兰木伦河的西岸，引入红柳林车站。线路全长165.890 km。

3 煤矿采空区的工程地质特征

大保当接轨方案不穿越煤矿采空区;红柳林接轨方案穿越煤矿采空区，煤矿采空区主要沿乌兰木伦河谷两岸分布。

3.1 地形地貌

本段线路地形起伏较大，沟壑纵横，冲沟下切严重，水土大量流失，沟谷中基岩裸露。沿线乌兰木伦河谷区为“U”形，宽阔而平缓，岸坡上“V”形冲沟发育。线路沿线植被稀疏。

3.2 地层岩性

地表为第四系全新统砂类土夹圆砾土;上更新统砂质黄土，具Ⅰ级非自重湿陷性(湿陷系数 δ0=0.020)，厚度2～20 m。基岩为上第三系紫红色粉砂质泥岩，总厚度大于40 m，泥岩具弱膨胀性。侏罗系含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质页岩及煤层，为区内主要含煤地层，岩层产状水平～缓倾斜。砂岩和砾岩有弱膨胀性。

3.3 地质构造

区内地质构造比较简单，主要为伊陕地台区，主要表现为自中生代晚期开始大面积的缓慢抬升，无大的褶皱和断裂带，地层产状平缓，呈微倾向北和北西的单斜地层。倾角一般3°～15°，局部波状起伏。岩体节理、裂隙发育。

3.4 煤层分布及煤矿开采情况

3.4.1 煤层分布

侏罗系为含煤地层，广泛分布在线路所处地区。侏罗系下统延安组砂、泥岩地层共有9个煤组18层煤，煤层单层平均厚度为 0.99 ～2.74 m，总厚度约17 m，煤组间距6～40 m。各煤组特征见表1。

3.4.2 煤层开采情况

由于沿线煤炭资源极其丰富，煤层埋深小于100 m。历史上曾有数百家大、中、小型煤矿在该区采煤，除后补连煤矿为露天开采外，其余煤矿都为斜井井下开采。大型煤矿主要为神华集团所有，以机械化开采为主;中、小型煤矿以人工开采为主。

通过收集既有资料(煤矿井上下对照图、煤矿开采工程平面图等)，开展遥感技术(Landsat-7 ETM+数据遥感解译影像、航空像片解译)、地面现场调查、物探(高密度电法)及访问当地老乡等工作，了解小煤矿开采历史情况，研究地质勘察取得的成果资料，进行分析、归纳、总结，查明的沿线煤矿及采空区的空间分布特征情况(表2)。

采空区沿乌兰木伦河两岸和河谷中广泛分布，线路通过段采空区累计长度为18.1 km。

表1 主要可采煤组特征

表2 沿线煤矿及采空区分布情况调查

3.5 采空区的水文地质条件

矿区内地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要分布于河谷内松散的碎石土及砂类土中，水位埋深3～5 m，水量较大，水质较好，受河流及大气降水的补给。基岩裂隙水主要赋存于侏罗系的砂岩中，为节理裂隙水，水量较大。泥岩具有弱膨胀性，在地下煤层大面积开挖后，基岩裂隙水会沿采空区四周宣泄，浸泡泥岩，使其软化、崩解，从而使煤层顶部产生冒落、撕裂、弯曲，使地面下沉或塌陷。

3.6 采空区的地面变形

由于乌兰木伦河两岸煤矿的大面积开采，在地下形成了较大的采空区。根据航空像片解译及现场调查，采空区范围内的山体多处出现变形、塌陷及地裂缝。红柳林方案线路ICK171+200～ICK172+260左侧150 m至岸边之间有大量的小煤窑塌陷坑，见图2。因煤矿采空，部分村民房屋出现大面积开裂，沟谷中的溪水大部分已断流。

图2 ICK171+900左侧150 m小煤窑塌陷坑

3.7 稳定性评价

经综合勘察查明，ICK155+600～ICK219+400段内，共有7段采空区，累计长度为18.1 km。根据采空区的地层岩性、开采情况、地面塌陷及变形计算等综合评价采空区的稳定性。由于采空区尚未达到“充分采动”，水平和垂直变形都发展很快，且不均匀。计算表明，采空区的最大下沉值约为1.90 m，最大水平移动值约为0.76 m，最大水平变形值约为48.19 mm/m。根据当地采煤历史较长，不同规模的煤矿较多，大部分采空区已产生了明显的地表变形，采空区还未达到稳定，地面下沉还会继续发展，随着开采的进一步推进，地面下沉的速度会随之加快，处于移动和变形活跃阶段。在采空区上覆地表修建铁路，地表下沉将引起采空区上部桥涵工程的基础下沉、开裂及失稳，还会引起路基的沉落及线路坡度的改变等，给铁路运营带来无穷的后患。该采空区对工程影响较大，铁路不宜从该采空区通过，建议绕避。

4 风沙区的工程地质特征

大保当接轨方案大部分地段走行于毛乌素沙地边缘。根据沙丘的活动程度，可将方案研究区内的沙丘分为固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘三种。

固定沙丘一般呈冢状，单个沙丘规模较小，高度也不大，通常只有10～20 m。整体景观高低不平，具粗糙感。

半固定沙丘地表起伏不平，形态较复杂，单个沙丘呈浑圆或长条形状，沙丘规模较小，高度一般在5～10 m，流沙呈斑点分布。本着因地制宜，因害设防的原则，积极采取工程措施、生物措施和化学措施治理，防护可控。半固定沙丘对线路的危害程度较小。

流动沙丘均以新月形沙丘和新月形沙丘链形式存在。方案区内新月形沙丘最显著的特点是平面有新月形的形状，沙丘两侧有顺着风向伸出的翼角，迎风坡凸出而平缓，背风坡凹而陡，沙丘高度很少超过15 m。新月形沙丘活动性大，对铁路危害较大。新月形沙丘链是由单个新月形沙丘相互连接而成的，其移动速度不如新月形沙丘快。流动沙丘随风移动，有疏松的沙层，完全裸露，规模大小不一，初期规模小，后期规模大。流动沙丘对铁路危害程度较大。铁路不宜从流动沙丘区通过，建议绕避。

5 线路方案选择

5.1 选线原则

在可行性研究阶段采空区铁路工程地质选线应结合线路走向和采空区分布，进行大区域的方案比选，在经济技术条件合理的前提下，尽量绕避采空区，从安全地带或尚未开采的矿区通过。

风沙区选线原则，线路应绕避风沙危害严重地段，不宜深入沙漠内部，宜选择在轻微风沙地段、山前凸型地带、防风林带内侧通过;线路的走向宜与主风向平行，不设或少设曲线，必需设置曲线时应避免采用小半径，并宜将曲线设计为路堤，外侧朝向主风向;线路宜采用高度不小于1.0 m的路堤，避免采用零断面、半堤半堑及路堑，特别是长深的路堑，必要时可采用敞开式浅路堑;车站应选择在风沙轻微地段，避开有风沙活动的隘口处，站房和住房应朝向背风方向。

5.2 线路方案比选

5.2.1 工程地质条件比选

大保当接轨方案与红柳林接轨方案:控制2个方案的主要工程地质问题为煤矿采空区和风沙。

采空区情况:红柳林接轨方案通过的采空区长度为18.1 km。大保当接轨方案目前不存在采空区。

风沙危害情况:大保当接轨方案约有67 km走行于毛乌素沙地东缘，其中CK226+000～CK246+000段约20 km范围分布有半固定沙地，对路基工程有一定影响;红柳林接轨方案约有9 km线路通过毛乌素沙地边缘，一般为固定沙地，风沙危害较轻。

红柳林接轨方案由于采空区成因类型复杂、范围广、规模大、准确查明困难。采空区的工程处理技术难度大，费用昂贵、处理效果不明显，对铁路今后的运营造成隐患。大保当接轨方案风沙问题影响相对大一些，但避开了采空区。综合考虑，大保当接轨方案工程地质条件优于红柳林接轨方案。

5.2.2 线路压煤情况比选

大保当接轨方案穿越规划煤田，矿区尚未开采，对线路没有影响，但需与矿主签订有关压矿协议，预留保安煤柱。大保当接轨方案与红柳林接轨方案压煤情况对比见表3。

从线路方案压煤角度来看，大保当接轨方案压煤长度和压煤数量均小于红柳林接轨方案，大保当接轨方案优势明显。

表3 两方案线路压煤情况

5.2.3 工程建设难度比选

红柳林接轨方案沿线各种形式的煤矿星罗密布，神华集团的煤矿主要集中于此。小煤矿改造区较多，多数为正在开采的煤窑;国营及大型矿区的开采，分布于既有包神铁路两侧一定范围内。沿线拆迁及与相关业主的补偿问题较为复杂，同时与既有包神铁路多次交叉，与神华集团的协调难度大。

红柳林接轨方案所经煤矿埋深均小于100 m，该采空区的工程处理技术难度大，费用昂贵、处理效果不明显，对铁路今后的运营造成隐患。大保当接轨方案既无采空区分布又与既有包神铁路无干扰，线路经过地区局部存在压煤问题，但整体工程相对简易，建设难度较红柳林接轨方案小。

5.2.4 工程投资比选

红柳林接轨方案静态投资估算48.04亿元(其中采空区处理费用估算约需10.86亿元);大保当接轨方案静态投资估算36.81亿元。大保当接轨方案工程投资优势明显。

6 结语

红柳林接轨方案穿越大规模采空区，线路压煤142.2 km，采空区的工程处理技术难度大，费用昂贵、处理效果不明显，工程建设难度大，静态投资规模较大。

大保当接轨方案无采空区，风沙危害主要为穿越20 km范围的半固定沙地，对路基工程有一定的影响，工程处理难度较小，静态投资规模较小。

通过工程地质条件、线路压煤情况、工程建设难度、工程投资等综合比选，大保当接轨方案相对优于红柳林接轨方案。因此推荐大保当接轨方案。

［1］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建包西铁路通道包头至大保当段可行性研究报告［R］.北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2006.

［2］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，2002.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程［S］.北京:中国铁道出版社，2001.

［4］中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］李国和，李桂芳.采空区铁路工程地质选线研究［J］.铁道工程学报，2012(10):15-20.

［6］时环生.田德铁路小龙煤矿采空区的地质选线［J］.铁道工程学报，2007(9):14-16.

［7］朱颖.铁路选线理念的创新与实践［J］.铁道工程学报，2009(6):1-3.

［8］田光文.三万南铁路煤矿采空区的线路方案研究［J］.高速铁路技术，2012(5):61-66.

［9］王国联，张道金.临策铁路天鹅湖至额济纳段线路及防沙工程方案研究［J］.铁道标准设计，2012(6):21-24.

［10］汪耀华.吉查铁路风沙特点及防治措施［J］.铁道标准设计，2013(2):8-11.

［11］裴立军.风沙地区铁路路基设计探讨［J］.铁道标准设计，2010(7):8-10.

［12］王多青.铁路风沙防治工程投资初步分析［J］.铁道标准设计，2012(6):21-24.