包西铁路煤矿采空区变形特征及处理原则

76 铁道勘察 2007年第4期 包西铁路煤矿采空区变形特征及处理原则 王生仁 (铁道第一勘察设计院，陕西西安710043) DeformedCharacteristicsofCoalMiningAreaalong BaoxiRailwayandTreatmentPrinciple WangShengren 摘要结合包西铁路沿线煤矿(窑)采空区现状，对煤矿(窑)采空区进行了分类和变形特征研 究，并提出了可行的工程 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 及整治 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 关键词煤矿采空变形处理原则 包西铁路北接京包线、包兰线，南接陇海线、西康 收稿日期：2007—04—18 作者简介：王生仁(1972一)，男．1996年毕业于西南交通大学水文地质 与工程地质专业，工程师。 线、西南线，是国家规划的“八纵八横”中包柳通道的 北端。煤矿(窑)采空区位于陕西省境内大保当至张 桥段，自北向南纵贯榆林、延安、渭南三市。 式计算 ％2丽而≠≥丽两 其中，妒为岩层的内摩擦角，2n为巷道宽度。 本区上覆泥岩、泥质粉砂岩，驴取40。，采空腔宽度 按8m，计算结果为：Ho=44m。 路基修建后，考虑填土及轴重作用，采用如下公式 计算 2ay+(4azy2+8ayRtan妒tan2(45。一詈)) 式中，y为上覆岩层重度／(kN／m3)；R为建筑物 基底的单位压力／(kN／1112)。 本段R取20，y取23．2，其他同前，计算结果为： 风=45m。 本段线路以挖方通过，最大挖方深度为15m，线 路高程为13101)3左右。路基开挖后，顶板厚度只有 20111左右，将会不可避免地产生塌陷。 5结论及工程措施建议 该段线路所处位置出露地层为中生界侏罗系F统 延安组(J。，)砂岩、粉砂岩及砂质泥岩等含煤地层，当 地采煤历史较长，煤窑较多，大部分采空区已产生了明 显的地表变形，有的开采不久或正在开采中，虽未产生 地表变形，但已对工程建设构成较大隐患。 经勘察核实，DK76+300一DK80+600段内，采空 区主要集中于DK76+600一DK78+400范围内，其中 线路大部位于采空区的边缘地带，且线路在DK77+ 800～DK77+935．5段位于采空区之上。计算结果表 明采空区不稳定。建议设计线位向东侧做小范围改 动，以避开DK76+600～DK78+400段右侧采空区的 影响。线位向罕台川方向移动的距离以不小于70m 为宦。绕避特别困难时，必须采取措施进行加固。加 固方案可采取灌浆处理。处理范围自路肩向两侧按6 =50。(与水平方向)的扩散角计算处理宽度。钻孔问 距10Ill，孔深25—40m。同时，在做好压矿评估工作 的基础上，略决依法制止线路保护带内的私采乱掘行 为，以保证线路的运营安全。 参考文献 [1]TBl0077--2001铁路工程岩土分类标准【s】 【2】TBl0012--2001铁路工程地质勘察 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 【s】 [3]TBl0041--2093铁路工程地质遥感技术规程fSl [4]TBl0049--2004铁路工程水文地质勘察规程[sl [5]TBl0013—2004铁路工程物理勘探规程『s1 万方数据 包西铁路煤矿泉空区变形特征技处理原则：王生仁 77 1研究方法及目的 (1)收集沿线区域地质、煤田地质资料，研究地层层 序、岩性、构造，以及煤层分布范围、开采深度及厚度等。 (2)通过调查、访问、综合物探和必要的钻探手 段，查明沿线煤矿(窑)分布，开采历史、现状、方式，采 空区的分布范围、深度，顶板地层结构、厚度、完整性和 稳定情况。物探主要采用了电法、浅层地震和瞬变电 磁测深。 (3)对工程通过煤矿(窑)采空区的稳定性进行评 价，提出合理可行的工程措施意见和整治方案。 2自然地理概况 包西铁路大保当至张桥段纵贯陕西省北部和关中 地区。主要经过三大地貌单元，大保当至鱼河峁为毛 乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原的接壤带，鱼河峁至 庆兴村为陕北黄土高原梁峁沟壑区，庆兴村以南属渭 北黄土台塬及渭河河谷区。 2．1地层岩性 沿线广覆第四系地层，愉林以北除局部有黄土出 露外，大部分地表以风积沙为主，下部为湖积和风积混 合相堆积的砂层，最大厚度可达110m；榆林以南除榆 林至鱼河峁地表有片状风积沙外，其余岸坡、山梁上部 广覆厚层黄土，最厚可达100余m。 基底地层主要为中生界侏罗系中下统及三叠系上 统砂岩、页岩及泥岩，古生界二叠系上下统、石炭系上 统和奥陶系中下统，岩性主要为砂岩、页岩、泥岩及白 云岩、灰岩。其中侏罗系中统延安组、三叠系中统瓦窑 堡组、二叠系下统山西组和石炭系上统太原组为本区 主要含煤地层。 2．2地质构造 狄家河以北在地质构造上属中朝准地台的二级构 造单元——陕甘宁台坳。构造作用主要表现为白中生 代晚期开始大面积的缓慢抬升为主，无大的褶皱和断 裂构造，地层平缓，呈微倾向北和北西的单斜地层。倾 角北段一般为3～7。，南段为5～10。，局部波状起伏。 侏罗系及三叠系煤层产状平稳，煤层厚度相对较稳定。 狄家河以南在地质构造上属韩城—铜川断褶带， 为陕甘宁台坳与汾渭地堑接壤带，构造活动强烈，岩层 层序变化较大。断裂构造以高角度地堑式正断层为 主，也有平移剪切断层及逆断层分布。断层走向一般 为北东一北东东向，致使二叠系下统山西组、石炭系上 统太原组煤层纵横错断，呈不连续状，煤层埋深及厚度 差异较大。 3煤矿(窑)采空区分类与变形特征 3．1采空区分类 目前采空区大多采用两种分类方法：一是根据采 空现状进行分类；二是根据开采规模进行分类。根据 开采现状，采空区可分为古老采空区、现代采空区、未 来采空区；根据采空区的开采规模，可将采空区分为小 煤窑采空与大面积采空两类。 根据本线煤矿(窑)特点，结合开采现状和开采规 模，将全线煤窑采空区划分为三类：古老小煤窑采空 区、近代小煤窑(矿)采空区、现代煤矿大面积采空区。 3．2煤矿(窑)采空区地表变形塌陷的影响因素 随着煤炭采矿业的快速发展和开采范围的不断扩 大，采空引起的地面塌陷、地裂缝以及其他地质灾害现 象频繁发生，造成许多不可挽回的损失。采空区地表 变形及塌陷过程与地层岩性、地质构造、水文地质及采 矿条件等关系十分密切，主要有下列主要因素。 (1)地层岩性组成及采空区t-_覆岩体力学性质 采空区上覆岩体强度高、硬度大、完整程度好时， 岩层破坏过程时间长，变形缓慢或不产生变形；而强度 低、岩层薄的岩层，易产生较大变形，且速度快。地表 第四系堆积层愈厚，地表变形值愈大。 (2)煤系地层倾角 当煤层为水平和缓倾斜(“<35。)时，顶板冒落岩 块垂直下落到采空区，基本上就地堆积起来。因此，在 采厚相同的条件下，采空区各个部分的冒落断裂带高 度基本上一致。当煤层为倾斜(a>35。)时，冒落到采 空区的岩块会沿倾斜方向向下滑动，采空区上部不能 很快被填满，冒落发展过程持续时间要稍长一些，冒落 高度也大一些。急倾煤层底板岩层会产生滑移，冒落 的岩块也会成堆滑动。 (3)采煤方式及顶板管理方法 大型煤矿的开采通常是长壁式大冒顶连续采煤法 (其顶板管理方法即全部垮落法)它是使上覆岩体破坏 最严重的一种方法。采用充填顶板管理方法，能使上覆 岩体破坏性比较小。煤柱支撑法管理顶板一般在顶板 比较完整的情况下采用，常见的有房柱法、条带法、刀柱 法。根据煤柱的尺寸大小，采留比例及采空区充填与 否，上覆岩层的破坏情况及地表移动特征有所不同。 (4)开采厚度与开采宽度 采厚(指一次开采厚度)愈大，则冒落断裂带高度 愈大，上覆岩体破坏过程表现愈剧烈，地表移动变形值 也愈大。 (5)采空区尺寸大小 万方数据 78 铁道勘察 2007年第4期 一般来讲，采空区达到一定面积后，变形波及到地 表。随着地下采掘工作面的向前推进，地表下沉值继 续增大。当采空区面积达到一定范围时，地表下沉值 达到该地层采矿条件应有的最大值，地表下沉值不再 增大，在地表移动盆地中央形成一个平底区域。 (6)重复采动 表现为岩层及地表移动过程比初次采动剧烈，地 表下沉值增大，地表移动速度加大，移动总时间缩短， 地表移动范围扩大(即边界角、移动角变小)。 (7)水文地质条件 当上覆岩层由比较硬的岩石组成时，岩层内含水 多少对其物理力学性质无明显影响。但当为软弱岩层 及松散岩层时，层内含水多少对其物理力学性质有着 明显的影响。 (8)地势对采空区变形的影响 采空区岩层与地表变形的区域遇有陡坡或陡坎 时，采空区变形影响到地表陡坡的稳定性，有引起陡坡 滑动变形的可能，会对地面建筑物造成重大危害。 (9)列车动力作用的影响 一般来讲，距离振源越远，弹性位移越小，最后衰 减趋零。因此，采空区埋深越深，列车动力作用对地表 变形及塌陷过程的影响作用就越小。 3．3采空区变形特点 (1)小煤窑采空区的变形特点 小型采空区由于采空范围狭窄，即使采煤巷道大 多不支撑，任其自由跨落．地表也不会产生移动盆地； 由于采深小，地表变形剧烈且不连续，大多产生较大的 裂缝和塌陷坑；变形发生的时间无规律可循，与其顶板 岩性、采深、采空面积和后期支撑有关，有的可以长时 间变形很小。 (2)大面积采空区的变形特点 大面积采空在地下采空后产生移动盆地，在采空 区上方及其周围的地表产生变形，影响上部建筑物的 安全。当大面积采空深度较大时，地表变形缓慢且连 续，对地面建筑物的影响也是长期性的。 铁路线路位置一般不正好在移动盆地的主断面 上，各类工程除了承受垂直移动和变形外，还要承受横 向和纵向的移动和变形： 地表下沉将引起路基沉降和线路坡度的改变。地 表的横向水平变形将导致轨道弯曲，并引起轨道平面 的倾斜或曲线超高的改变。地表的纵向水平变形，如 地面的压缩和伸张将使钢轨和轨枕挤紧和断开。 地表的上述移动和变形，对桥涵、隧道、站场、房屋 和通讯信号设备等都有不同程度的影响。 4煤矿(窑)采空区处理原则 4．1 小煤窑(矿)采空区 路基工程：对不稳定采空区位于路肩以下的路基 工程，采用巷道加固、注浆或明挖回填夯实处理。 桥梁工程：当墩台位于塌陷区及变形区内时，采用 钻孔桩(挖孔桩)置于采空区底板以下1—2m。钻孔 桩采用全护筒跟进施工，挖孔桩设钢筋混凝土护壁。 经经济技术比较后，也可采用大跨简支梁。 隧道工程：开挖后应在洞内开展有针对性的地质 勘探，确定小煤窑采空区的分布位置及形态，采用探灌 相结合的方法进行处理。采空区在拱顶部位时，采用 小导管注水泥浆、浆砌片石回填处理。采空区在边墙 部位，在边墙开挖线20m范围内进行处理，回填M5 浆砌片石。小煤窑采空区在仰拱以下，如采空深度小 于5m，则将顶板挑开，用浆砌片石回填；当顶板厚度 大于5m．则采用压浆处理。 4．2大面积采空区 根据大面积采空区的具体情况，分析采空对路基 稳定性的影响，以及采空塌陷后引起的路基沉降量是 否满足路基工后沉降的要求。根据煤矿是否开采及井 下施工的可能性，一般选择井下砌体支护或钻孔注浆 加固处理两种方案，也可以二者同时采用。 4．3未来采空区 包西铁路沿线已探明的煤田储最较大，为了保证 铁路建成后运营安全，根据国家有关部委的规定和要 求，需要在行经煤田地带铁路干线和重要建筑物下的 浅部可采煤层预留保安煤柱。 包西铁路通道属国铁I级铁路，根据有关规定，本 线防护等级为I级，保安煤柱宽度计算，先以铁路两侧 基准线外推20m作为保护带，然后再按松散层45。、基 岩75。的安息角，计算保护带宽度，以此求算各煤层的 保安煤柱边界。 参考文献 【1]铁道第一勘察设计院包四线神木北至延安北段通过煤矿(窑)采 空区情况复查 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、评价及预测方法,灰场灰坝的地基结构设计,对采空区上建筑水力除灰场的岩土工程研究具有一定的指导意义. 2.学位论文 李建春 煤矿采空区建筑火力发电厂贮灰场地岩土工程勘察评价 2003 太原某电厂的山谷水力贮灰场，由于自然条件的限制，经多种方案的经济比较，灰场选择在煤矿采空区。灰场的岩土工程勘察，采空变形的计算、 评价及预测方法，灰场地基的治理措施，地基结构设计，对采空区上建筑水力贮灰场的岩土工程研究具有一定的指导意义。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tlhc200704024.aspx 下载时间：2010年5月7日