煤礦采空區鐵路工程地質選線實例

0前言

在鐵路選線勘察中常常無法回避采空區問題。如京滬高鐵、石太客專、哈大客專、沈丹客專、朔黃線、朔準線、巴準線均遇到了不同程度的煤礦采空區問題。煤礦采空區具層狀分布、厚度大、范圍廣、地表變形強烈等特點，因此，在礦區哪些部位、以何種方式穿越采空區、如何進行采空區處理等諸多問題就擺在了我們面前。

結合近幾年在鐵路勘察中遇到的采空區工程地質選線案例，介紹煤礦采空區鐵路工程地質選線采用的主要方法。

1 繞避

線路首先宜繞避大型礦區、重要礦區，繞避密集分布小窯采空區、難以查明的古采空區，應繞避地表變形活躍、移動的盆地邊緣地帶和因為地表移動、變形可能引起的邊坡失穩和陡坡崩塌的地段。

1.1平面繞避

這是我們常常使用的手段和方法，爭議比較大的案例就是石太客運專線為了繞避陽泉煤礦采空區，不得不躲開沿線重大經濟據點陽泉市。

1.1.1方案概況

預可行性研究階段研究了經由平定（陽泉南）、陽泉和盂縣（陽泉北）三大線路走向方案，三方案都要通過山西省著名煤田----沁水煤田，不同程度地存在煤礦采空問題 。

通過搜集沿線煤礦分布圖，調查沿線煤礦的開采情況，深入研究煤層埋藏特點，了解到陽泉市留有桃河保護煤柱、平定縣留有南川河、中川河保護煤柱，這兩條保護煤柱可以作為客運專線通道；盂縣方案線路大部分在非煤系地層通過。

1.1.2地質概況

沁水煤田主要含煤地層為石炭系上統太原組和二迭系下統山西組。陽泉礦區含煤面積2500km2，陽煤集團生產礦井地質儲量41.4億噸，賦存15層煤，煤層總厚為16.8m，其中可采及局部可采煤層7層。15號煤層厚度5.0m～7.0m，其它煤層厚度在0.8m～2.5m之間。

煤層埋深：平定和陽泉東側、盂縣地表出露，順線路方向自東向西逐漸加深，至壽陽最深約為1200m，再逐漸變淺。

開采方式：國有大礦一般采用走向長壁式普采，回采率大于80%，村鎮煤礦一般采用斜井開拓刀柱式或倉房式開采，回采率40%～60%，個體小窯或古采區采用倉房式開采，回采率30%左右。

1.2.3小結

陽泉方案及平定方案沿線煤礦多數仍在開采，采煤活動一直持續在鐵路建設整個過程中，個別地方存在私挖亂采現象，客運專線對工后沉降要求嚴格，為保證鐵路建成后的運營安全，石太客專繞避了規模較大、整治困難的陽泉礦區大面積采空，采用盂縣方案做為建設方案 。

1.2立體繞避

巴準鐵路為運煤專用線， 煤炭集運站不能離礦井太遠，煤炭開采和運輸之間空間矛盾突出，采煤活動對鐵路選線影響較大。線路在準格爾旗神山鎮附近穿越東勝煤田敖家溝井田，平面上完全繞避非常困難，采用平面位置、縱斷面坡度綜合考慮的方法立體繞避了采空區。

區內含煤地層主要發育于侏羅系下統地層中，該地層沿構造線呈北東向分布。線路所經煤礦主要分布三層可采煤，編號分別為3＃、4＃、5＃。3＃煤，煤層平均厚度為2.98m，采煤方式為房柱式開采，最大回采率約為50％，中興煤礦及公溝煤礦（線路左側）開采該層煤；4＃煤尚未開采；5＃煤平均厚度為2.41m，采煤方式為綜采，理論最大回采率為90％，公溝煤礦及敖家溝西梁煤礦（線路左側）開采此層 。

經過大面積方案比選后確認從兩礦界處穿越煤田通過采空區距離最短。工作中利用敖家溝西梁煤礦主礦井沿礦區邊界布置、只開采一側的有利條件，線路平行主礦井利用預留的保安煤柱行進，但要穿越公溝煤礦3#煤層采空區。采用降低線路設計標高，以隧道（長2.8km)形式從淺層采空下方穿過，采空塌陷對隧道工程無影響。另外線路標高降低后，鐵路距下部采空區相對近一些，鐵路需要的安全維護帶寬度明顯縮小，基本沒有處理采空區便安全通過。

2選擇塌陷基本穩定區通過

龍口進港鐵路專用線由于受線路長度、國道立交高程及地下水位淺等因素控制，須通過龍口礦區梁家井田和北皂煤礦 。

2.1地質概況

龍口礦區屬地層結構簡單、巖性穩定的黃縣煤田，煤系地層為下第三系，上覆地層為第四系及上第三系。第四系地層厚約80m，由砂、粉質粘土、粉土及砂礫層組成。上第三系（N）厚約30m，由砂巖、粘土巖和礫巖組成，固結程度低，水平層理，與下伏第三系呈角度不整合接觸。下第三系（E），厚度近千米，主要由泥巖、砂巖、煤層及油頁組成。

巖層傾向變化較大，南東至近東西向，傾角10°左右。共含煤層6層，其中可采及局部可采4層（即煤1、煤2、煤3、煤4），含煤段一般厚度在200m左右，煤層總厚度為1.3～16.9m煤2、煤4厚度大且相對穩定，各采區一般先開采煤2，然后開采煤4，采用長壁全陷冒落法開采。

I、II號采空區目前僅采煤2層，III、IV號采完煤2層后在采煤4層。

2.2變形特點及穩定評價

龍口礦區煤礦是典型“三軟”煤礦，即頂板軟、煤層軟、底板軟，采用長壁全陷法開采時，地表變形過程總時間持續相對較短。根據龍口礦區典型觀測站地表移動觀測，最大下沉速度可達89.2mm/d。根據龍口礦物局各煤礦多年的測量結果，塌陷區沉降變形一般在3~6個月內就趨于穩定，地表移動延續總時間為18個月。因此，我們以18個月為判斷標準，結合塌陷區的地表形態特征，初步判定塌陷區的穩定程度

I號采空區（停采32個月以上）地表變形已基本穩定，II號（停采8個月）處于塌陷變形末期，仍會產生沉降，工程施工時會趨于穩定。III號塌陷區為新近重復采動區域，塌陷區正處于變形發展階段，即不穩定階段。IV號采空區一次采動（煤2）區域已基本穩定，但在采煤4時產生二次塌陷，為不穩定區。

3選擇工程相對簡單，易處理段落通過

朔準線榆樹灣采空區方案位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗馬柵鎮境內，線路穿越黃河后沿黃河右岸自東向西展布，線位與河岸之間分布有在建的龍口水利樞紐和榆樹灣自然村。完全繞避采空區非常困難。對路基和長橋兩個方案進行了同精度初測比較。路基方案位于山坡上，長橋方案位于坡角處，兩方案均有橋梁位于采空區內。

3.1地質概況

礦區表覆第四系全新統松散層，下伏三疊系、二疊系、石炭系及奧陶系地層，石炭系上統含煤3～13層，單層煤最厚可達20.0m。石炭系中統底部泥巖、鋁土頁巖中分布有黃鐵礦（當地叫硫磺礦）礦體。

煤礦和硫磺礦均有開采。

硫磺礦開采情況：開采方式為炮采和鎬采，主巷道寬高約2.5×2.0m，支巷道開采礦體，礦體呈雞窩狀，不規則，礦脈厚度一般0.5～2.0m，傾角5°～10°，開采高度一般0.5～2.0m，回采率約10～20％，在開挖過程中，用礦渣填充到前面的開挖空間內，充填率約40～60％。開采比較混亂。根據調查訪問，最大窩狀礦體開采長度約100m，開采寬度一般約2.0～4.0m開采時間是1956年～1995年。

小煤窯開采情況：小煤窯窯口多位于沖溝內煤層的出露點上，多沿煤層傾向開采，個別小煤窯是平洞進入山體，見到煤層后沿煤層走向左右開采。開采年代久遠，私挖亂采現象嚴重，回采率10～20％。一般位于路肩下20～142m不等，巖層產狀傾向南西傾角8°～45°。鉆孔揭示煤層最大空洞高度為4.1m

3.2采空區穩定性評價

硫磺礦、煤礦采礦范圍狹窄，多呈巷道式，屬于小型采空（人為坑洞），采用了巷道頂板穩定性計算法（地質手冊方法）、洞體頂板坍塌自行堵塞估算法、普氏崩壞拱法綜合分析評價根據以上三種計算方法，采空區頂板的安全高度差別較大，從安全方面考慮，推薦采空區影響時的安全深度應不少于86m。 采空區和巷道圍巖基本穩定，局部有小型坍塌。

3.3小結

兩個方案橋梁通過采空區的長度相差不多，但路基方案中橋梁通過的采空區埋深相對大、采空范圍大，處理較困難，長橋方案多位于采空區邊緣且埋深淺，處理相對容易，推薦采用長橋方案。