铁路专用线下煤矿巷道稳定性评价研究

杨治国

(中铁建安工程设计院有限公司，陕西 西安 710032)

在矿产资源越来越紧张的情况下，经常会出现上部铁路专用线必须正常运营，而下部矿产资源也需要开采或作为矿产资源的井下运输通道要从铁路专用线下方穿过情况，为此必须开展运营铁路线路下方采空区的状态评价工作。目前，针对铁路路基下伏采空区的处理研究，现有成果尚未形成成熟的理论及工程设计体系[1]。Seryakov[2]基于初始应力法，给出了估算采空区围岩状态的方法；宋卫东等[3]利用采空区探测系统(CMS)对采空区进行了精密探测，建立了三维数值计算模型，对采空区群区域的应力场、位移场进行了分析。但是由于采空区的稳定性评价方面存在多种影响因素，需要从不同角度、采用多种方法才能比较全面的提出合理的评价结论。

本文针对山西三元煤业股份有限公司井下巷道下穿高河煤矿铁路专用线项目，采用规范、手册方法和运用数值模拟计算软件FLAC3D进行了定量分析评价，对科学评估既有铁路专用线影响下的巷道安全进行了探索。

1 项目概况

1.1 井下巷道与铁路线空间位置关系

高河煤矿铁路专用线从煤田中部穿过，将煤田分割成南北两翼。根据井下巷道设计，在高河煤矿铁路专用线压覆区沿3#煤层顶板，四条大巷从矿区北翼(即高河煤矿铁路专用线北侧)，穿岩巷至矿区南翼(高河煤矿铁路专用线南侧)，用以回采南翼煤炭资源。铁路专用线与煤田巷道位置关系见图1。

图1 煤田巷道与高河专用线交叉平面位置关系

1.2 巷道工程概况

高河煤矿铁路专用线横穿压覆区的四条井下大巷分为A区和B区。A区包括：四采区皮带大巷、四采区回风大巷；B区包括：四采区皮带大巷和四采区胶轮车大巷。4条大巷断面均为矩形，截面尺寸为5.0 m(宽)×3.1 m(高)。A区皮带大巷、回风大巷长516 m；B区皮带大巷、胶轮车大巷长561 m。四采区四条大巷中，A区皮带大巷、回风大巷之间距离最小，巷道垂直间距为30 m。在高河铁路专用线下方A区皮带大巷、回风大巷之间沿铁路延伸方向最小净距为25.8 m。根据四条大巷施工方案资料，巷道顶板支护形式采用锚杆+钢带+网+锚索+喷浆联合支护。巷帮支护形式采用锚杆+钢带+网+喷浆联合支护。巷道采用掘进机开挖，四条大巷的服务年限为13 a。

沿四条巷道走向实测横断面4条，确定了巷道下穿铁路位置铁路填方高度。根据实测数据：A区回风大巷埋深最浅355.8 m；B区胶轮车大巷埋深最大359.7 m。

1.3 专用线工程概况

山西潞安矿业(集团)有限责任公司高河矿铁路专用线属工业企业Ⅰ级铁路(相当于最新规范《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》中的Ⅲ级铁路)，正线起点DK0+000(=太焦线K250+381.18)，终点为DK9+594.93，线路全长9.595 km。本下穿巷道工程评估范围内铁路工程均为填方路堤工程，巷道投影到地面位置距离最近的铁路桥梁浊漳河特大桥桥头约260 m，场地地面高程937.8～938.6 m，路基填方高约为2.1～6.5 m，专用线路基目前运行状况基本良好。

2 工程地质及水文条件

2.1 地貌及地层情况

本场地属于浊漳河二级阶地，为第四系黄土覆盖，巷道下穿部位地表相对平坦。四条巷道位置的地层自下而上依次为二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)及第四系(Q2+3)。巷道下穿铁路专用线位置工程地质条件见图2。

图2 巷道与高河专用线交叉剖面地质条件(单位：m)

2.2 水文地质情况

二叠系山西组和二叠系下石盒子组根据井田内井测孔抽水资料，水位标高+756.80 m，单位涌水量0.03 mL/(s·m)，渗透系数为1.8 mm/d，属于弱富水性含水层。

第四系松散含水层：水位埋藏较浅，主要接受大气降水的补给，受大气降水影响明显，由于下部各隔水层的作用，对本区域巷道影响不大。

3 采空区稳定性评价

3.1 规范、手册方法

3.1.1 方法分析

根据工程地质类别比法，参照《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)第4.3.1条，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ；参照第3.2.11条对铁路两相邻单线隧道间最小净距的要求，按最不利的Ⅳ级围岩确定隧道安全净距为3B(B为隧道开挖断面的宽)，计算得3B=15 m，远小于四条大巷之间的最小距离25.8 m。因此，本次评价可按单一巷道采空区进行评价。

综合分析《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044-2014)第12.3.10条及其条文说明、《铁路工程地质手册》[4]的要求：当建筑物已修建于小型采空区的影响范围以内时，可按《铁路工程地质手册》式(4-5-7)及相关规定进行地基稳定性验算评价。

巷道顶板临界深度H0计算：

式中：a为巷道半宽(m)；γ为上覆岩层加权平均重度(kN/m3)；R为建筑物基底单位压力(kN/m2)；ψ为上覆岩层加权平均内摩擦角(°)。

巷道稳定系数Fs计算：Fs=H/H0。式中：H为巷道顶板埋深(m)；H0为巷道顶板临界深度(m)。

评价单一巷道采空区场地稳定性等级：Fs>1.5，稳定；1.5≥Fs>1.0，稳定性差；Fs≤1.0，不稳定。

3.1.2 评价过程

(1)围岩参数：根据钻孔资料，距离地面约0～144 m内以第四系黏性土为主、夹有少量砂土，144 m～巷道底面以下15 m范围内以二叠系泥岩为主、夹有少量砂岩和煤层，各地层计算参数取值见表1。

表1 岩土参数

(2)上覆压力：根据收集到的高河铁路专用线路基设计文件、实测垂直铁路的横断面及沿铁路方向的纵断面，按照《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》附录B，计算各个巷道上方地面压强R，压强R包括路堤填方荷载、列车荷载和轨道荷载，具体见表2。

(3)计算评价：根据《铁路工程地质手册》式(4-5-7)计算的临界深度及稳定性系数，评价井下巷道稳定性结论见表2。通过评价结论可以看出，在铁路路基荷载作用下，四条大巷均处于稳定状态，说明铁路路基所处的场地处于稳定状态。

表2 巷道参数、地表压力及稳定性评价计算结果

3.2 数值模拟方法

3.2.1 建立FLAC3D模型

四条巷道之间相互无影响，可按单一巷道采空区进行评价。由于B区巷道位置地表以上路堤填方高度大，导致虽然B区巷道埋深不是最浅，但本巷道工程在B区的两个巷道的安全系数均小于A区，因此数值模拟计算采取B区的胶轮车大巷作为研究对象。借鉴《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中5.3.5条关于沉降计算理论，按照各项同性均值线性变形体理论，计算中假定土层只受到竖向压力，侧向限制不能变形，边界条件假定见图3，土体两侧约束为可动铰支座，底部为固定铰支座，模型在巷道以下取3倍巷道宽度，即15 m；横向在巷道两侧各取5倍巷道宽度，即总宽度55 m；巷道顶面以上二叠系地层厚216 m，第四系地层厚144 m，模型总深度379 m。根据铁路路基特点，地面荷载按线性荷载考虑，荷载取最不利路基荷载。模拟计算采用美国ITASCA公司开发的仿真计算软件FLAC3D，计算中采用的本构模型为摩尔-库伦本构模型，M-C屈服准则[5，6]。用实体单元模拟单条巷道，剖面网格划分方法为模型厚度取单位厚度1.0 m，网格按0.5 m间距设置；巷道顶板以上、底板以下剖面按4.0 m间距设置网格划分，共划分2 632个单元格；巷道范围内剖面按0.5 m间距设置网格划分，共划分1 344个单元格，所建模型见图4。

图3 计算模型边界条件 图4 计算模型构建

3.2.2 计算参数选定

胶轮车大巷上覆岩土359.7 m范围内，考虑最不利情况的B区胶轮车大巷路基荷载191.4 kPa，在模型计算中假定硐室未设置支护结构，为铁路路基在下部巷道采动下的稳定性留出一定的冗余安全度，分析岩土体在自身的物理力学性能指标下采动后的应力应变特征。分析计算中采用的岩土体各参数取值见表3。

表3 围岩参数

3.2.3 计算结果分析

分别对巷道挖掘前和挖掘后铁路荷载作用下的竖向位移和竖向应力进行计算，其位移云图和竖向应力云图对比见图5。

图5 铁路荷载作用下巷道挖掘前后位移和竖向应力云图

可以看出，巷道开挖之前，仅受铁路路基、轨道和列车荷载作用下，在巷道开挖深度处的最大位移近似为零；在巷道开挖后，在巷道上方约巷道4倍宽度范围，即约20 m范围内，位移量较大，巷道顶面20 m处位移增量最大1.25 mm，再向地面方向，位移更小，几乎处于原岩状态。

在只有地面路基、轨道及列车荷载作用下，开挖之前在巷道上方的竖向主应力处于-7.0e+06～-7.5e +06之间；巷道开挖之后巷道上方的竖向主应力也基本处于该应力水平之间；另外由于巷道为矩形巷道，仅在巷道正上方约2m范围和巷道两侧壁在开挖巷道后，出现应力集中现象，应力略有突变。

通过以上的数值分析，可以得到如下结论：①巷道开挖位移影响范围在巷道顶部以上20 m。②巷道开挖引起应力重分布，影响范围在巷道顶部以上约2 m。③相对于巷道的埋深355.8～359.7 m，巷道开挖对高河煤矿铁路专用线基本无影响。

4 结论

(1)采用公式计算和数值模拟两种方法分析计算，可以有效对既有铁路下方煤矿采动进行定量分析计算，评价结果可靠。

(2)对于位于采空区范围构筑物的稳定性分析评价应根据不同地区工程地质特征，重视工程地质条件和井下采掘方式的研究，才能采用正确的评判模型进行分析评价。

(3)采空区稳定性评价目前还处于不断探索和完善时期，只有多方式评价才能更全面的对评价对象作出更加接近事实真相的评价结论。

后期作为永久整治措施，煤矿采区回采完毕巷道完成服务年限后，对铁路影响范围内巷道应采用浆砌块石等方式填充密实，再采取注浆方式进行加强，防止出现空洞。