趙 文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司地路處，西安 710043)

銀西鐵路北接包蘭線，中連太中銀、西平鐵路，南端通過西安樞紐與隴海通道、西成客運專線、西康鐵路等銜接，行徑寧夏、甘肅、陜西，連接沿黃城市帶、隴東地區(qū)和關中經(jīng)濟區(qū)，線路全長599.10 km，在鐵路路網(wǎng)中有極其重要的地位。

彬長礦區(qū)位于銀西鐵路彬縣車站與雅店車站之間。在可研階段，線路方案必需經(jīng)彬縣并設站，穿越彬長礦區(qū)無法避免，采空區(qū)穩(wěn)定性是線路方案成立的關鍵，為此，對其穩(wěn)定性評價顯得尤為重要。

1 彬長礦區(qū)地質(zhì)條件［1-2］

彬長礦區(qū)屬隴東黃土高塬梁卯溝壑區(qū)，地勢西南高東北低，涇河自西北向東南貫穿中部。礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，出露地層時代主要為白堊系下統(tǒng)華池組(K1h)、洛河組(K1l)、宜君組(K1y)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)及三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，其中上部白堊系地層巖性多為礫巖、砂巖，巖體較堅硬，整體性較好，厚度約110～200 m，下部侏羅系地層巖性多為泥巖夾砂巖，巖體較軟，整體性較差，厚度120～200 m;地表為第四系黃土所覆蓋。

區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，共含有煤層7層，其中主要可采煤層僅一層，為4煤層，其余均為不可采或零星可采。4煤層位于延安組下部，埋深多為350～450 m，區(qū)內(nèi)均有分布，結構較單一，煤層厚度0～35.22 m，平均厚度14.1 m，屬特厚煤層，煤層傾向西北，傾角小于5°。

2 彬長礦區(qū)采空區(qū)變形分析及穩(wěn)定性評價

2.1 采空區(qū)特征

區(qū)內(nèi)采空區(qū)均屬現(xiàn)代煤礦大面積采空區(qū)，煤層多采用綜采放頂采煤法開采［3］，全部跨落法管理頂板，工作面回采率70% ～85%，開采工作面長1 000～2 000 m，寬90～180 m，開采煤層厚度7～13 m，工作面兩側預留煤柱寬20～50 m;采空區(qū)埋深多為350～450 m，煤層頂板巖性為侏羅系延安組(J2y)的砂巖夾泥巖，巖性較差，屬不穩(wěn)定頂板，易隨采隨冒，除直接頂隨采隨冒外，基本頂下位巖層也將冒落，共同充滿采出煤層的空間。

2.2 理論分析

在地下開采前，巖體在地應力場作用下處于相對平衡狀態(tài)，當煤層礦體的開采造成原有地層缺失后，在巖體內(nèi)部形成一個采空區(qū)，導致周圍巖體應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起應力重新分布，使巖體產(chǎn)生移動變形和破壞，直至達到新的平衡，隨著開采工作的進行，這一過程不斷重復［4］。

當?shù)叵旅簩娱_采后，采空區(qū)直接頂板巖層在自重應力及上覆巖層重力的作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲。當其內(nèi)部應力超過巖層的應力強度時，直接頂板首先斷裂、破碎并相繼冒落，而基本頂巖層則以梁、板形式沿層面法向方向移動、彎曲，進而產(chǎn)生斷裂、離層。隨著工作面的向前推進，受采動影響的沿層范圍不斷擴大，當開采范圍足夠大(0.2H～0.3H，H為采深)，巖層移動發(fā)展到地表，在地表形成一個比采空區(qū)范圍大得多的下沉盆地，詳見圖1。

圖1 采空區(qū)上方巖層移動示意

當煤層的開采深度大于安全開采深度時，開采后其上部建筑物僅產(chǎn)生輕微變形，不產(chǎn)生移動盆地，其安全開采深度H可按下式計算

式中 M——煤層的采出厚度，取值為7 m;

K——安全系數(shù)，由于為初次采動，且銀西鐵路屬Ⅰ級建筑物，取值為175。

經(jīng)計算可知道安全開采深度H為1 225 m，遠大于其煤層的開采深度(350～450 m)，故其采空區(qū)上部地表會發(fā)生變形沉降，會產(chǎn)生移動盆地。

2.3 地表移動和變形計算

在地表移動和變形計算中，以彬長礦區(qū)下溝煤礦采空面為典型采空區(qū)工作面進行理論計算。

2.3.1 地面影響區(qū)半徑計算

ZF2801采空工作面位于涇河河谷區(qū)，采空區(qū)上覆巖層厚約為320 m，第四系覆蓋層厚度約為20 m，其地面影響半徑

式中 H1——采空區(qū)上覆基巖厚度，取320 m;

H2——采空區(qū)上覆第四系厚度，取20 m;

α1——基巖移動角，取 60°;

α2——第四系覆蓋層移動角，取 45°。

經(jīng)計算，采空工作面地面影響區(qū)半徑為205 m。

2.3.2 地表最大下沉值

由于采礦區(qū)長為1 050 m，寬為90 m，寬度小于臨界開采尺寸1.2H0～1.4H0(H0為平均開采深度)，為非充分采動。

首次采動非充分采動情況下［5］:

最大下沉值

式中 q0——初次采動全面陷落情況下的下沉系數(shù)，取值為0.7 mm/m;

m——煤層的開采厚度，取8.50 m;

α——煤層傾角，取 3°;

D1、D2——采空區(qū)沿傾斜方向與走向方向的實際尺寸，分別為90 m和1 050 m;

H0——平均開采深度，取350 m;

經(jīng)計算，ZF2801采空工作面其最大沉降值為4 703 mm。

2.3.3 其他變形值計算

地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形值的計算［6］，詳見表 1。

2.4 地表變形監(jiān)測值

通過對彬長礦區(qū)下溝煤礦、水簾煤礦等煤礦的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實測地表下沉最大值為－3 516 mm，最大下沉速度為－27.9 mm/d，水平移動值為－1 620 mm，移動速度為 －48.6 mm/d，詳見圖 2［7］。

表1 地表最大變形值計算

圖2 采空區(qū)地表下沉曲線

根據(jù)現(xiàn)場實測結果分析，地表沉降量最大的位置位于采空區(qū)的正上方，同時，也是地表下沉速度最大的地方，因此，可以得出采空區(qū)的正上方受采空區(qū)的影響是最大的。同時采空區(qū)工作面兩側100 m范圍內(nèi)地表下沉量也較大，其沉降量也在500～1 500 mm，因此，其受采空區(qū)影響較為明顯。采空區(qū)工作面100～200 m范圍內(nèi)，地表下沉量基本小于500 mm，受采空區(qū)影響逐漸減弱，200 m范圍外基本受采空區(qū)影響較小，地表變形基本可以忽略。

同時，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的逐年變化表明，受采空區(qū)影響的地表變形是緩慢且連續(xù)，其地表變形觀測值也將隨時間的推移而進一步加大，且對地表建筑物的影響是長期的。

2.5 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

由于彬長礦區(qū)采空區(qū)覆巖結構為上強下弱類型，上部白堊紀地層，即洛河砂巖、宜君礫巖的巖性比較堅硬，整體性強，而且寬度大，兩層累計厚度達110 m，成為控制地表下沉的關鍵層，在工作面開采寬度不很大，又有兩側煤柱支撐時，關鍵層不會產(chǎn)生破斷，只產(chǎn)生彎曲，使地表不產(chǎn)生斷裂型下沉盆地，而是彎曲型下沉盆地，總體形態(tài)呈兩邊高，中間低的“類馬鞍形”形態(tài)［8］。

通過地表移動和變形的分析計算，采空區(qū)的最大下沉值為4 703 mm，最大水平移動值為1 646 mm，而根據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測，目前受采空區(qū)影響的地表下沉量為3 516 mm，這表明采空區(qū)地表變形正處于發(fā)展階段，部分采空區(qū)還未達到穩(wěn)定，地面下沉還會繼續(xù)發(fā)展，隨著開采的進一步推進，地面的下沉速度也會隨之加快。

另外通過對地表變形進行監(jiān)測，在采空區(qū)工作面200 m范圍內(nèi)地表下沉較為明顯，而200 m范圍外地表變形較小或基本沒有變形。而通過采空區(qū)影響范圍的計算，該采空區(qū)影響范圍數(shù)值為205 m，因此，理論計算值與實際計算值基本一致，對于該公式計算的結果可以應用于方案的穩(wěn)定。

3 彬長礦區(qū)線路方案比選

3.1 線路方案設置原則

根據(jù)對采空區(qū)變形的形態(tài)及變形量、影響范圍的分析，可以為線路方案的走向作出如下指導。

(1)在采空區(qū)正上方，地表的沉降最大，理論計算最大沉降量可達4703 mm，對于該區(qū)域線路應完全避繞。

(2)在采空區(qū)計算出的影響范圍內(nèi)，地表沉降雖然相對于采空區(qū)正上方地表沉降量較小，但根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，其沉降量也在500 mm以上，對工程的影響仍然很大，線路方案對該區(qū)域仍然應該避繞。

(3)在采空區(qū)計算出的影響范圍之外，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，其地表沉降較小或基本沒有沉降，因此，線路可以在此區(qū)域通過。

(4)線路方案的設置在避繞采空區(qū)及其影響范圍的同時，還必須考慮到線路位置對該區(qū)域煤礦資源今后發(fā)展的影響，線路的設置必須避繞目前煤礦的主要開采方向，以將對煤礦今后發(fā)展的影響降至最低。

3.2 線路方案的比選

根據(jù)本地區(qū)地形地貌、工程設置情況以及采空區(qū)影響范圍，同時依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)及《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2001)中對人為坑洞避繞原則［9-10］，線路 定出了CK、C11K、C13K及C21K 4個方案，詳見圖3。

圖3 彬長礦區(qū)煤礦采空區(qū)線路方案

C21K方案從百子溝整合區(qū)西南角穿越，其中線路約有800 m的長度直接穿越百子溝煤礦采空區(qū)，C13K方案從下溝煤礦ZF1816采空工作面東北角穿越，線路距離下溝煤礦采空區(qū)邊界最近距離為107 m，根據(jù)采空區(qū)地面影響范圍計算結果，線路應避繞最少距離為205 m，因此，線路未能完全避繞采空區(qū)影響范圍。

C11K方案從官牌井田采空區(qū)南側穿越，線路距采空區(qū)最近距離約800 m，但由于官牌井田采空區(qū)采空埋深約500 m，其中黃土厚度約240 m，根據(jù)公式(2)計算出采空區(qū)地面影響半徑值為390 m。因此該方案不在采空區(qū)影響范圍之內(nèi)，但由于官牌井田煤礦目前正在往線路方向開采，當采空區(qū)范圍擴大后，必將影響線路。

CK方案距各采空區(qū)距離均大于2 500 m，完全避繞了彬長礦區(qū)各煤礦采空區(qū)及其影響區(qū)域，同時避繞了各個煤礦主要采礦區(qū)域，將鐵路線路對該區(qū)域礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的影響降至最低，因此推薦該線路方案。

4 結論與建議

通過對彬長礦區(qū)采空區(qū)的調(diào)查，并系統(tǒng)地分析采空區(qū)地表移動和變形規(guī)律，在此基礎上確定了線路選線的原則，根據(jù)此原則詳細分析了4種線路方案，可得出如下結論與建議。

(1)彬長礦區(qū)采空區(qū)均屬現(xiàn)代煤礦大面積采空區(qū)，采空區(qū)埋深多為350～450 m，開采煤層厚度7～13 m，受采空影響，地表會產(chǎn)生彎曲型下沉盆地。

(2)采空區(qū)地表最大下沉值為4 703 mm，最大水平移動值為1 646 mm，且采空區(qū)影響范圍內(nèi)也發(fā)生不同程度的下沉和變形，而在采空區(qū)影響范圍外，地表基本未受采空區(qū)影響而下沉。

(3)目前采空區(qū)處于移動和變形的發(fā)展期，地表下沉和塌陷未達到穩(wěn)定。

(4)對穿越采空區(qū)的C21K方案、在采空區(qū)影響范圍內(nèi)的C13K方案，以及雖然避繞了采空區(qū)及其影響范圍但對煤礦的今后發(fā)展產(chǎn)生極大影響的C21K方案不予以推薦;推薦既避繞了采空區(qū)及其影響范圍，同時又對該區(qū)域煤礦資源開發(fā)利用影響最小的CK方案。

(5)大型采空區(qū)對線路方案有重大的影響，在方案研究前期階段，需對采空區(qū)變形特征進行分析研究，根據(jù)采空區(qū)地表變形的特征及規(guī)律，確定采空區(qū)的影響范圍，為選線提供依據(jù)。

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［7］新汶礦業(yè)集團公司.水簾煤礦采空區(qū)地表變形監(jiān)測報告［R］.彬縣:新汶礦業(yè)集團公司，2010.

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