煤矿采空区铁路选线研究

徐柳伟

摘要：煤炭资源分布范围广、储量丰富、开采规模大，煤炭的大量开采，尤其是粗狂式的开采，使矿区形成大片的采空区，为解决煤炭运输问题，高效利用铁路的运能，常将运煤铁路修建在矿区，铁路建设过程中常会遇到线路穿越采空区的问题。详细介绍采用综合勘察手段探明采空区指导铁路选线的典型工程案例，现已初步通车，效果良好。

关键词：采空区；勘察

引言

某铁路经过鄂尔多斯东胜煤田、准格尔煤田，区内矿区广泛分布，煤层开采后形成大面积采空区。敖包沟隧道全长3200m，穿越中兴、公沟和敖家沟西梁煤矿，煤矿开采后形成大面积采空区，采空区对隧道设计与施工有重要影响。

1.采空区综合勘察方法

采空区位置及状态的确定是隧道下穿采空区设计与施工的关键，采空区的工程探测手段主要有三类：地质调查、井下测量、综合物探及工程地质钻探。

1.1地质调查

地质调查包括外业调查和地质调绘，外业调查是通过搜集资料、调查访问等方法对隧道附近煤矿采空区开采年代、开采方法、采空区形式以及范围进行初步调查，对采空区大致范围与形态有所掌握。地质调绘以垂直地质界线路线穿越法为主，重要地质界线采用沿线追踪法；调查重点为煤矿采空区、软弱岩层、节理密集带、较大地表水体及地下水与构造薄弱带的关系等。

1.2井下测量

井下测量的主要对象是巷道，巷道测量和地面测量工作一样，应遵循“从高级到低级，从整体到局部”的原则。巷道测量的主要任务确定巷道、硐室及回采工作面的平面位置与高程。井下巷道测量中的各项规定应按《煤矿测量试行规程》中的规定执行。

1.3综合物探

对于采空探查，常用物探方法有电法、地震、地质雷达，必要时可采用综合测井等综合物探手段。

1.4工程地质钻探

工程钻探是地质勘探中常用的方法，在采空区探测中，钻探能够详细明确采空区的位置和埋深，对工程物探结果有很好的验证及补充作用。敖包沟隧道下穿采空区勘探中，先后采用多台钻机进行采空区钻探，钻探按《铁路工程地质钻探规程》（TBl0014-2012）要求进行。勘探孔钻进严格控制回次进尺和转速，岩芯采取率一般80%～100%，大部分回次采取率大于90%。孔深至最下一层煤层底板不少于20m。

2.采空区特征

2.1煤矿采空区类型

绝大多数现代正规矿井均采用高效率的正规采矿方法，这些方法在许多文献中都有详细的介绍。我国煤炭开发历史悠久，煤层赋存条件多样，促使我国现代的采煤方法多种多样，是世界上采煤方法种类最多的国家。这些采煤方法主要包括壁式采煤法和柱式采煤法两大类。

2.2保安煤柱计算

通过调查、物探、钻探等多种勘察手法，煤矿采空区基本同采矿权登记面积相同，采空区多位于地面60m以下，地面塌陷区及地面裂缝明显。中兴煤矿采空对隧道影响较小，隧道穿越地段为敖家沟西梁煤矿的安全煤柱，由于该处煤层倾角较小，约3-7°，勘测期间实测岩层倾向为N60°W/6°S，根据《铁路工程地质手册》中大面积采空区的地表移动变形预测一章中，关于移动盆地边界预测的走向边界角的公式计算：

δ0=δ-15°

2.3隧道下穿采空区安全顶板厚度确定方法

采空区底板的破坏深度是确定下穿隧道合理安全顶板厚度的重要因素，因采空区底板破坏与采空区垮落后支撑压力、采空区开挖后底板应力分布有关。

煤矿开采后采空区底板围岩破坏与下穿采空区隧道围岩破坏相互影响，围岩破坏区几何关系分析，隧道下穿采空区安全顶板厚度H可按下式确定：

H≥D+s+（R-r）

式中，D-采空區底板破坏深度；s一原岩保护层厚度；R-隧道中心至拱顶破裂区范围；r-隧道半径。以上分析可知，隧道下穿采空区安全顶板最小厚度应为采空区底板岩层破坏深度、原岩保护层厚、隧道拱顶围岩破裂区之和。

综上所述，采空区下隧道安全顶板厚度的主要影响因素有围岩条件、采空区状态（采空区尺寸、形态、采空区顶板管理方式）、隧道施工方法、支护方式、爆破震动等。这些因素影响安全顶板厚度的稳定，进而对下穿隧道围岩的稳定造成重要影响，对于隧道下穿采空区工程设计，采用多因素理论分析方法能预估安全顶板的合理厚度。

2.4采空区选线

隧道与其下方采空区边界底板的水平距离称为隧道上跨采空区保安煤柱；隧道顶部距上方采空区底板岩层厚度表示了下穿隧道与采空区的竖向位置关系，又称为隧道下穿采空区安全顶板厚度。敖包沟隧道穿越矿区线路设计时，通过线路优化规避公沟煤矿、西梁煤矿采空区的影响，降低了部分隧道穿越采空区的工程风险，但在部分段落须下穿中兴煤矿采空区，通过降低铁路标高得以增大下穿采空区时安全顶板厚度，施工风险降低。因此，隧道穿越采空区设计方案应从投资、施工风险、工期等方面进行必选，而保安煤柱宽度、安全顶板厚度的确定是整个设计的关键，成为控制隧道投资、施工风险、工期的决定性因素。

3.结论

在铁路及高等级公路工程建设中，经常会遇到各种复杂的地质条件。其中各种类型的采空区对铁路及高等级公路的修建和运营会产生严重的负面影响。采空区的存在使其上覆岩层冒落塌陷，地表形成沉降盆地或裂缝，对铁路、公路路基、桥梁等将产生很大的破坏作用。近年来，由于山西、内蒙、陕西、山东等矿产资源大省铁路、公路建设力度的加大，一些新建铁路和公路不得不通过矿区，采空区的评价及治理问题又变得十分突出。因此，深入分析不同类型及性质的采空区上部地层变形破坏机理、对采空区地基稳定性进行科学的评价，选择安全可靠、经济合理的方案来处理采空区，是铁路及公路工程建设中的当务之急。

本项目根据我院近年来采空区工程地质勘察、选线的经验，对采空区类型、采空区变形、采空区地基稳定性进行了全面系统的分析研究