徐柳偉

摘要：煤炭資源分布范圍廣、儲(chǔ)量豐富、開(kāi)采規(guī)模大，煤炭的大量開(kāi)采，尤其是粗狂式的開(kāi)采，使礦區(qū)形成大片的采空區(qū)，為解決煤炭運(yùn)輸問(wèn)題，高效利用鐵路的運(yùn)能，常將運(yùn)煤鐵路修建在礦區(qū)，鐵路建設(shè)過(guò)程中常會(huì)遇到線路穿越采空區(qū)的問(wèn)題。詳細(xì)介紹采用綜合勘察手段探明采空區(qū)指導(dǎo)鐵路選線的典型工程案例，現(xiàn)已初步通車(chē)，效果良好。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；勘察

引言

某鐵路經(jīng)過(guò)鄂爾多斯東勝煤田、準(zhǔn)格爾煤田，區(qū)內(nèi)礦區(qū)廣泛分布，煤層開(kāi)采后形成大面積采空區(qū)。敖包溝隧道全長(zhǎng)3200m，穿越中興、公溝和敖家溝西梁煤礦，煤礦開(kāi)采后形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)對(duì)隧道設(shè)計(jì)與施工有重要影響。

1.采空區(qū)綜合勘察方法

采空區(qū)位置及狀態(tài)的確定是隧道下穿采空區(qū)設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵，采空區(qū)的工程探測(cè)手段主要有三類(lèi)：地質(zhì)調(diào)查、井下測(cè)量、綜合物探及工程地質(zhì)鉆探。

1.1地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查包括外業(yè)調(diào)查和地質(zhì)調(diào)繪，外業(yè)調(diào)查是通過(guò)搜集資料、調(diào)查訪問(wèn)等方法對(duì)隧道附近煤礦采空區(qū)開(kāi)采年代、開(kāi)采方法、采空區(qū)形式以及范圍進(jìn)行初步調(diào)查，對(duì)采空區(qū)大致范圍與形態(tài)有所掌握。地質(zhì)調(diào)繪以垂直地質(zhì)界線路線穿越法為主，重要地質(zhì)界線采用沿線追蹤法；調(diào)查重點(diǎn)為煤礦采空區(qū)、軟弱巖層、節(jié)理密集帶、較大地表水體及地下水與構(gòu)造薄弱帶的關(guān)系等。

1.2井下測(cè)量

井下測(cè)量的主要對(duì)象是巷道，巷道測(cè)量和地面測(cè)量工作一樣，應(yīng)遵循“從高級(jí)到低級(jí)，從整體到局部”的原則。巷道測(cè)量的主要任務(wù)確定巷道、硐室及回采工作面的平面位置與高程。井下巷道測(cè)量中的各項(xiàng)規(guī)定應(yīng)按《煤礦測(cè)量試行規(guī)程》中的規(guī)定執(zhí)行。

1.3綜合物探

對(duì)于采空探查，常用物探方法有電法、地震、地質(zhì)雷達(dá)，必要時(shí)可采用綜合測(cè)井等綜合物探手段。

1.4工程地質(zhì)鉆探

工程鉆探是地質(zhì)勘探中常用的方法，在采空區(qū)探測(cè)中，鉆探能夠詳細(xì)明確采空區(qū)的位置和埋深，對(duì)工程物探結(jié)果有很好的驗(yàn)證及補(bǔ)充作用。敖包溝隧道下穿采空區(qū)勘探中，先后采用多臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行采空區(qū)鉆探，鉆探按《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》（TBl0014-2012）要求進(jìn)行?？碧娇足@進(jìn)嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺和轉(zhuǎn)速，巖芯采取率一般80%～100%，大部分回次采取率大于90%?？咨钪磷钕乱粚用簩拥装宀簧儆?0m。

2.采空區(qū)特征

2.1煤礦采空區(qū)類(lèi)型

絕大多數(shù)現(xiàn)代正規(guī)礦井均采用高效率的正規(guī)采礦方法，這些方法在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)的介紹。我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)歷史悠久，煤層賦存條件多樣，促使我國(guó)現(xiàn)代的采煤方法多種多樣，是世界上采煤方法種類(lèi)最多的國(guó)家。這些采煤方法主要包括壁式采煤法和柱式采煤法兩大類(lèi)。

2.2保安煤柱計(jì)算

通過(guò)調(diào)查、物探、鉆探等多種勘察手法，煤礦采空區(qū)基本同采礦權(quán)登記面積相同，采空區(qū)多位于地面60m以下，地面塌陷區(qū)及地面裂縫明顯。中興煤礦采空對(duì)隧道影響較小，隧道穿越地段為敖家溝西梁煤礦的安全煤柱，由于該處煤層傾角較小，約3-7°，勘測(cè)期間實(shí)測(cè)巖層傾向?yàn)镹60°W/6°S，根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》中大面積采空區(qū)的地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)一章中，關(guān)于移動(dòng)盆地邊界預(yù)測(cè)的走向邊界角的公式計(jì)算：

δ0=δ-15°

2.3隧道下穿采空區(qū)安全頂板厚度確定方法

采空區(qū)底板的破壞深度是確定下穿隧道合理安全頂板厚度的重要因素，因采空區(qū)底板破壞與采空區(qū)垮落后支撐壓力、采空區(qū)開(kāi)挖后底板應(yīng)力分布有關(guān)。

煤礦開(kāi)采后采空區(qū)底板圍巖破壞與下穿采空區(qū)隧道圍巖破壞相互影響，圍巖破壞區(qū)幾何關(guān)系分析，隧道下穿采空區(qū)安全頂板厚度H可按下式確定：

H≥D+s+（R-r）

式中，D-采空區(qū)底板破壞深度；s一原巖保護(hù)層厚度；R-隧道中心至拱頂破裂區(qū)范圍；r-隧道半徑。以上分析可知，隧道下穿采空區(qū)安全頂板最小厚度應(yīng)為采空區(qū)底板巖層破壞深度、原巖保護(hù)層厚、隧道拱頂圍巖破裂區(qū)之和。

綜上所述，采空區(qū)下隧道安全頂板厚度的主要影響因素有圍巖條件、采空區(qū)狀態(tài)（采空區(qū)尺寸、形態(tài)、采空區(qū)頂板管理方式）、隧道施工方法、支護(hù)方式、爆破震動(dòng)等。這些因素影響安全頂板厚度的穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)下穿隧道圍巖的穩(wěn)定造成重要影響，對(duì)于隧道下穿采空區(qū)工程設(shè)計(jì)，采用多因素理論分析方法能預(yù)估安全頂板的合理厚度。

2.4采空區(qū)選線

隧道與其下方采空區(qū)邊界底板的水平距離稱為隧道上跨采空區(qū)保安煤柱；隧道頂部距上方采空區(qū)底板巖層厚度表示了下穿隧道與采空區(qū)的豎向位置關(guān)系，又稱為隧道下穿采空區(qū)安全頂板厚度。敖包溝隧道穿越礦區(qū)線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)線路優(yōu)化規(guī)避公溝煤礦、西梁煤礦采空區(qū)的影響，降低了部分隧道穿越采空區(qū)的工程風(fēng)險(xiǎn)，但在部分段落須下穿中興煤礦采空區(qū)，通過(guò)降低鐵路標(biāo)高得以增大下穿采空區(qū)時(shí)安全頂板厚度，施工風(fēng)險(xiǎn)降低。因此，隧道穿越采空區(qū)設(shè)計(jì)方案應(yīng)從投資、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期等方面進(jìn)行必選，而保安煤柱寬度、安全頂板厚度的確定是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，成為控制隧道投資、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期的決定性因素。

3.結(jié)論

在鐵路及高等級(jí)公路工程建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件。其中各種類(lèi)型的采空區(qū)對(duì)鐵路及高等級(jí)公路的修建和運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。采空區(qū)的存在使其上覆巖層冒落塌陷，地表形成沉降盆地或裂縫，對(duì)鐵路、公路路基、橋梁等將產(chǎn)生很大的破壞作用。近年來(lái)，由于山西、內(nèi)蒙、陜西、山東等礦產(chǎn)資源大省鐵路、公路建設(shè)力度的加大，一些新建鐵路和公路不得不通過(guò)礦區(qū)，采空區(qū)的評(píng)價(jià)及治理問(wèn)題又變得十分突出。因此，深入分析不同類(lèi)型及性質(zhì)的采空區(qū)上部地層變形破壞機(jī)理、對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的方案來(lái)處理采空區(qū)，是鐵路及公路工程建設(shè)中的當(dāng)務(wù)之急。

本項(xiàng)目根據(jù)我院近年來(lái)采空區(qū)工程地質(zhì)勘察、選線的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)采空區(qū)類(lèi)型、采空區(qū)變形、采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析研究