黃新文 易菊香

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

內(nèi)蒙古自治區(qū)礦區(qū)分布廣泛，大面積煤田采空區(qū)是礦區(qū)普遍存在的地質(zhì)問題，給當(dāng)?shù)氐母鞣N工程帶來巨大的不穩(wěn)定因素。新紅線東起準(zhǔn)朔鐵路的紅進(jìn)塔車站，西至包西鐵路的新街車站，中部為內(nèi)蒙古東勝礦區(qū)(見圖1)，如何穿越礦區(qū)成為本次勘測(cè)的重點(diǎn)之一。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

束會(huì)川以東為低山丘陵區(qū)，以西為丘陵區(qū)和哈拉沙地，靠近新街側(cè)為毛烏素沙漠邊緣區(qū)，奎洞溝附近以及奎洞溝北側(cè)為丘陵區(qū)。地勢(shì)總體呈東北高，西南低。

1.2 地層巖性

沿線出露地層較為簡(jiǎn)單，主要有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂;湖積粉土、粉質(zhì)黏土;河流相沖積細(xì)砂、圓礫土;上第三系上新統(tǒng)砂巖、泥巖;白堊系下統(tǒng)泥巖，砂、礫巖;侏羅系中下統(tǒng)砂巖夾泥巖、煤層和烘烤巖(火燒巖)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

線路所經(jīng)地區(qū)屬新華夏構(gòu)造體系之鄂爾多斯構(gòu)造盆地，該盆地主要形成于中生代，印支期當(dāng)?shù)亻_始下陷沉降，先后接受了巨厚的中生代沉積物。白堊紀(jì)晚期，由于燕山運(yùn)動(dòng)第二幕的影響，鄂爾多斯盆地開始上升，其上缺失了白堊系上統(tǒng)地層。第四紀(jì)以來，受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，區(qū)域內(nèi)繼續(xù)大面積緩慢上升，形成了現(xiàn)在的鄂爾多斯高原。

鄂爾多斯盆地受大的構(gòu)造環(huán)境影響較小，經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多以升降式的振蕩運(yùn)動(dòng)為主，區(qū)內(nèi)巖層的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象均發(fā)育，地層產(chǎn)狀近于水平。線路經(jīng)過范圍無大的構(gòu)造及斷裂。

1.4 煤礦現(xiàn)狀與采空區(qū)情況

本區(qū)分布地層為侏羅系含煤地層，煤礦南起紅進(jìn)塔，北至準(zhǔn)格爾召，西至呼和烏蘇溝，礦區(qū)和正在開采的礦井密布。本區(qū)主要可采煤層為1～6號(hào)煤 層，煤層分布東淺西深，束會(huì)川以東主要開采煤層為5號(hào)、6號(hào);包府公路附近主要開采煤層為4號(hào);烏蘭木倫河附近主要開采煤層為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào);阿大公路附近煤層埋藏較深。

1.5 采空區(qū)水文地質(zhì)情況

礦區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水埋深10～20 m，受大氣降水的補(bǔ)給;第三系泥巖為連續(xù)性良好的隔水層，阻止了孔隙潛水下滲補(bǔ)給，基巖裂隙水主要賦存于侏羅系的泥質(zhì)砂巖中，埋深約40～60 m。泥巖具弱膨脹性，在地下煤層大面積開挖后，基巖裂隙水會(huì)沿采空區(qū)四周宣泄，浸泡泥巖，使其軟化、崩解，從而使煤層頂部產(chǎn)生冒落、撕裂、彎曲，使地面下沉或塌陷。

2 線路方案

該段線路主要有3個(gè)方案，CLK鄂爾多斯方案、ICLK北繞布爾臺(tái)井田新街接軌方案、ⅡCLK考考賴溝短隧高橋方案，如圖1所示。

圖1 線路走向示意

2.1 CLK貫通方案

該方案東起紅進(jìn)塔，沿束會(huì)川北上，至奎洞溝折向西，接?xùn)|烏延長線海勒斯豪站，跨越東西烏蘭木倫河后接至鄂爾多斯車站。

2.2 ICLK比較方案

該方案自海勒斯豪站之前與CLK方案相同，海勒斯豪站之后跨過東西烏蘭木倫河，沿布爾臺(tái)井田邊界走行接入新街車站。

2.3 ⅡCLK比較方案

該方案自紅進(jìn)塔出站后順束會(huì)川北上約15 km折向西，經(jīng)過考考賴溝、烏蘭木倫河，沿呼和烏蘇溝走行后貼近包茂高速接入新街車站

3 方案比選

三個(gè)方案均無法完全避開礦區(qū)，下面對(duì)各個(gè)方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析。

(1)CLK鄂爾多斯方案自紅進(jìn)塔站出站后一直走行于溝谷之中，后跨過包府公路，接入海勒斯壕站，最終接入包西鐵路的鄂爾多斯車站，利用包西鐵路接至新街站，穿越礦區(qū)最少，新建線路長度最短，而且穿越礦區(qū)部分位于奎洞溝溝谷，壓煤約28 km，基本避免了采空區(qū)。但該方案在轉(zhuǎn)龍灣處經(jīng)過流動(dòng)沙丘和半固定沙丘合計(jì)約7 km，工程地質(zhì)條件較差。

(2)ICLK北繞布爾臺(tái)井田新街接軌方案在海勒斯壕站之前與CLK相同，跨過阿大阿新公路后走行于布爾臺(tái)井田邊界與鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)之間的約200 m通道內(nèi)。該段煤層埋藏較深，故存在壓布爾臺(tái)井田的問題。該方案通過流動(dòng)沙丘半固定沙丘合計(jì)約5 km，壓煤約45 km，基本避免了采空區(qū)。至新街線路運(yùn)營長度與鄂爾多斯方案相比優(yōu)勢(shì)不大，但新建線長度明顯不如鄂爾多斯接軌方案。

(3)ⅡCLK考考賴溝短隧高橋方案線路短直，至新街距離比其他兩方案優(yōu)勢(shì)明顯，但不可避免的要穿越礦區(qū)與采空區(qū)，該方案壓既有礦區(qū)約47 km，穿采空區(qū)約2.58 km，在以隧道形式穿越某煤礦時(shí)，線路無法避免與采空區(qū)相交(如圖2)，且該煤礦煤層所在深度局部為富水性區(qū)域。此外，賴溝附近現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)小煤礦超采現(xiàn)象嚴(yán)重，地面塌陷區(qū)域已超出礦井邊界，地表10余個(gè)塌陷坑，用高密度電法探測(cè)得出該段采空區(qū)分布較多且無法避免，該段工程地質(zhì)條件較差。

圖2 ⅡCLK穿越某煤礦剖面

4 某煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 地表變形預(yù)測(cè)

該段采空區(qū)長度2.1 km，深度平均約40 m。其中采空區(qū)上覆頂板厚度H=40～60 m(上覆第四系地層10～20 m)。

按照《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》，首次充分采動(dòng)的按以下公式計(jì)算最大下沉量

式中 q0——下沉系數(shù)，按照傾斜長壁式水砂充填方法開采，查表取0.10;

m——礦層的法線厚度，為4 m;

α——礦層傾角，α =3°;

把以上數(shù)據(jù)帶入式(1)，經(jīng)計(jì)算:η0=0.40。

最大傾斜值

式中 r——地面影響區(qū)的半徑。

式中 β——移動(dòng)角;

經(jīng)計(jì)算，i0=16‰。

最大曲率:k0=1.52η0/r2=19 mm/m

最大水平移動(dòng)值:ξ0=bη0=0.12 m。

b——水平移動(dòng)系數(shù)，根據(jù)煤田地質(zhì)資料，b=0.3。

4.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

調(diào)查未發(fā)現(xiàn)地表塌陷、裂縫等現(xiàn)象。通過以上計(jì)算，采空區(qū)的最大下沉值約為0.4 m，最大水平移動(dòng)值約為0.12 m，采空區(qū)還未達(dá)到穩(wěn)定，地面下沉還會(huì)繼續(xù)發(fā)展。隨著開采的進(jìn)一步推進(jìn)，地面下沉的速度也會(huì)隨之加快，處于移動(dòng)和變形活躍階段。同時(shí)，地表下沉將對(duì)穿過采空區(qū)的隧道造成影響，給鐵路運(yùn)營帶來無窮的后患。該采空區(qū)對(duì)工程影響較大，治理難度較大，費(fèi)用較高，鐵路不宜從該采空區(qū)通過，建議繞避。

5 結(jié)語和建議

新紅線通過煤礦及其采空區(qū)地段的主要原則首先是繞避。實(shí)在無法繞避時(shí)，在查清采空區(qū)范圍、規(guī)模的基礎(chǔ)上采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧┯枰酝ㄟ^，并使線路通過不良地質(zhì)地段的長度盡量縮短。根據(jù)現(xiàn)有煤礦開采情況，加之諸多小煤礦超采的不可預(yù)見性。從工程地質(zhì)角度出發(fā)，鄂爾多斯接軌方案穿越開采煤礦少，壓覆礦產(chǎn)資源少，風(fēng)沙長度短，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M］.北京:中國鐵道出版社，1999

[2]邱恩喜，趙文，劉俊新.地下采空區(qū)加固范圍的數(shù)值分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J］.路基工程，2008(1)

[3]方磊，郁犁.煤礦采空塌陷區(qū)注漿加固施工[J］.施工技術(shù)，2005(增刊):357-359

[4]何華，宋飛，薛德生.隧道采空區(qū)治理方法研究[J］.山西建筑，2007(1)

[5]劉治.隧道采空區(qū)底部塌方處理[J］.科技咨訊，2008(4)