，，

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，選線對地基可靠性要求愈來重要。由于線路對線型、坡比、彎度的特殊要求，過去采用避繞式躲開煤礦采空區(qū)的方法在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已無法使用[1]。對于線路鄰近或跨越煤礦采空區(qū)，已成為國內(nèi)鐵路建設(shè)中建設(shè)方?jīng)Q策的難題。對采空區(qū)的地表變形理論研究最早開始于 1838 年，比利時工程師哥諾特提出“垂線理論”，自此以后一系列新理論應(yīng)運(yùn)而生[2，3]。例如：Gonot的“法線理論”，裴約爾的“拱形理論”，Schmitz、Keinhorst、Bals等相繼研究了開采硬性的作用面積，提出了連續(xù)影響分步的影響函數(shù)。劉寶琛[4]、何國清[5]等在這些理論的基礎(chǔ)上采用概率積分法研究了不同介質(zhì)條件下煤層開采地表沉降變形問題。 我國投入了大量的人力、物力、財(cái)力對地下采煤引起的開采沉陷，地表塌陷，建筑物地基穩(wěn)定性評價等問題進(jìn)行了科學(xué)研究分析，并取得了豐碩的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和科研成果，為開展建筑物下采煤、建筑物的保護(hù)以及采空區(qū)地表移動變形預(yù)測奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6-10]。

徐州是我國煤炭資源的重要產(chǎn)地，大小煤礦星羅棋布，不同年代形成的采空區(qū)隨處可見[11]。對于老采空區(qū)自身的穩(wěn)定性、采空“活化”及地層動環(huán)境等多因素，都是影響上覆線路選線地基穩(wěn)定性的影響因素，若只考慮單一因素分析會存在適宜性誤差。徐州符夾線擴(kuò)能及新建客車聯(lián)絡(luò)線長4.264km，跨越徐州礦務(wù)局義安煤礦、夾河煤礦井田及華潤天能集團(tuán)大劉煤礦井田及其開采影響區(qū)。

為保證夾河寨疏解線工程的建設(shè)和后期運(yùn)營安全，本文根據(jù)夾河礦、義安礦、大劉礦采煤和開采沉陷觀測研究資料，構(gòu)建地質(zhì)三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過采空區(qū)殘余沉降變形分析，重點(diǎn)研究符夾線夾河寨疏解線不同開采歷史條件下地表殘余變形量值及其時空變化規(guī)律，綜合分析評估了其擬建線路區(qū)的適宜性。

1 采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法

1.1 采空區(qū)對選線區(qū)的影響

煤礦采空區(qū)隨時間的變化，會打破原有的地層應(yīng)力分布形態(tài)，采空區(qū)上覆修建構(gòu)筑物、鐵路、公路、鄰近礦區(qū)采動、地下水變化、地震活動等，都會進(jìn)一步加劇地層應(yīng)力分布形態(tài)，使采空區(qū)“活化”，其表現(xiàn)為地表漏斗式下沉、地層沿?cái)嗝婊驅(qū)用婊瑒?，甚至地面大范圍塌陷。采空區(qū)對地面交通線路的選線勘察工作至關(guān)重要，從而評價線路的適宜性并提出防治措施。

在采空區(qū)上覆區(qū)域進(jìn)行鐵路勘察選線，首先也充分了解區(qū)域煤礦地質(zhì)概況等基礎(chǔ)地質(zhì)資料，其次了解礦山地質(zhì)報告、采區(qū)平面圖、井上井下對照圖等開采情況資料，再次收集采空區(qū)已有鐵路、公路工程的施工及處治資料等，采空區(qū)的沉降、變形觀測資料等。充分進(jìn)行采空區(qū)文獻(xiàn)調(diào)查、勘探，必要時結(jié)合地震勘察、地質(zhì)鉆探等方法進(jìn)行詳細(xì)的勘測及核實(shí)，為鐵路安全范圍的確定、處治設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)。

1.2 場地建筑適宜性評價依據(jù)

關(guān)于煤礦采空區(qū)場地的勘察，煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(GB 51044—2014)、巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2017)、鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程(TB 10027—2012)、鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程(TB 10038—2012)和《巖土工程手冊》都將該問題以正式條文提出來[12，13]，目前勘察方法、評價依據(jù)主要有：①收集采空區(qū)場地及井下采掘工程平面圖、地形地質(zhì)圖等；②工程物探；③鉆探；④地區(qū)開采沉陷經(jīng)驗(yàn)；⑤室內(nèi)試驗(yàn)；⑥數(shù)值模擬研究。

目前行業(yè)常以地面建筑物(或構(gòu)筑物)的容許變形值作為標(biāo)準(zhǔn)來評價建筑物(或構(gòu)筑物)穩(wěn)定性和場地適宜性，所以計(jì)算容許變形值(包括地面既有沉降、預(yù)測沉降)的依據(jù)是場地勘察工作前期資料和擬選線的適宜性判別。

2 工程概況及采空區(qū)特征

圖1 線路與周邊礦井的相對位置示意圖

圖2 建線路場地下及附近采空區(qū)分布圖

采空區(qū)與擬選線路區(qū)段相對位置如圖1所示，擬建線路場地下及附近采空區(qū)分布如圖2所示，采空區(qū)在地貌上屬華北平原黃河沖積平原，地勢平坦，地形起伏較大，場地內(nèi)以第四系松散堆積物及二疊系、石炭系、奧陶系的基巖為主。自上而下主要為亞黏土、粘土、粉砂、亞砂土，以亞粘土、粘土為主，基巖以頁(泥)巖、砂質(zhì)頁(泥)巖為主，夾薄～中厚層砂巖，底部常為一層含礫粗砂巖。采空區(qū)內(nèi)具有破壞性的斷層有F10逆斷層，NE走向，傾向SE，落差200m左右和F9正斷層，NW走向，傾向SW，落差約80m。義安煤礦自1972年投產(chǎn)，至2005年-700m以上煤層的開采基本結(jié)束。夾河煤礦自1969年投產(chǎn)。大劉煤礦自1981年投產(chǎn)。區(qū)域內(nèi)頂板為灰?guī)r，其上覆的巖層冒落垮塌，自下而上形成冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶，導(dǎo)致部分地表建筑物沉降變形，甚至產(chǎn)生地面裂縫。區(qū)域內(nèi)地下開采煤層為2#、7#、9#及21#煤層，范圍在+23～-700m之間，其中2#、7#、9#厚度分別為1.77m、4.35m、1.32m。局部煤層沿走向露頭變薄未采，回采率約為82%。擬選線路場地下及附近采空區(qū)分布如圖3所示，圖3中填充區(qū)域分別對應(yīng)2煤、7煤和9煤的位置。

將結(jié)合采空區(qū)與擬建鐵路線路區(qū)段位置關(guān)系及地質(zhì)資料，進(jìn)一步計(jì)算分析采空區(qū)地面塌陷發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。

3 擬建鐵路線路場地變形分析

擬建場地下部分布有多層采空區(qū)，由于未進(jìn)行系統(tǒng)的地表沉降變形監(jiān)測，因此，無法直觀確定各區(qū)域具體的地表變形量。本文依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》及徐州礦區(qū)的地表變形部分實(shí)測資料，采用概率積分法理論計(jì)算模型計(jì)算擬建場地的地表變形[14]。

擬選線鐵路線路區(qū)內(nèi)對線路有影響的義安煤礦、夾河煤礦和大劉煤礦，分兩個區(qū)域進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，區(qū)域劃分為：K84+300至K85+600南北500m范圍內(nèi)、DK82+100至DK83+700東西500m范圍內(nèi)。

兩個計(jì)算區(qū)域涉及的三個采空區(qū)域分別為義安煤礦開采區(qū)域、夾河煤礦開采區(qū)域及大劉煤礦開采區(qū)域；四個時段分別為2014年8月底前、2019年8月、2024年8月、2044年8月。

3.1 概率積分法

概率積分法的計(jì)算方法如下：

矩形工作面開采時地表任意點(diǎn)下沉預(yù)計(jì)，在傾斜煤層中開采某單元i，按概率積分法的基本原理[12]，單元開采引起地表任意點(diǎn)(x，y)的下沉(最終值)為：

We0i(x，y)=(1/r2)·exp[-π(x-xi)2/r2]·

exp[-π(y-yi+li)2/r2]

(1)

圖3 擬選線路場地下及附近采空區(qū)分布圖

式中，r為主要影響半徑，r=H0/tanβ；H0為平均采深；lⅠ=HⅠ·cotθ；θ為最大下沉角；(xi，yi)為i單元中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)；(x，y)為地表任意一點(diǎn)的坐標(biāo)。

設(shè)矩形工作面開采范圍為：0～p，0～a組成的矩形。

地表任一點(diǎn)的下沉為：

(2)

式中，W0為走向和傾向均達(dá)到充分采動時的地表最大下沉值；W0(x)為傾向方向達(dá)到充分采動時走向主斷面上橫坐標(biāo)為x的點(diǎn)的下沉值；W0(y)為走向方向達(dá)到充分采動時傾向主斷面上橫坐標(biāo)為y的點(diǎn)的下沉值。

在地表達(dá)到充分采動時，各變形最大值可分別用下式計(jì)算：

地表最大下沉值：

W0=mqcosα

(3)

最大傾斜值：

I0=W0/r

(4)

最大曲率值：

最大水平移動：

U0=bW0

(6)

最大水平變形值：

ε0=?1.52bW0/r

(7)

式中，q為下沉系數(shù)；m為煤層厚；b為水平采動系數(shù)。

3.2 地面變形計(jì)算

3.2.1 參數(shù)選取

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》及徐州礦區(qū)開采經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮采空區(qū)回采情況，考慮覆巖巖性，選取計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 地表總沉陷預(yù)測計(jì)算參數(shù)

注：α為煤層傾角；H為工作面平均采深。

3.2.2 地面變形量計(jì)算

擬選鐵路線路所穿過的下斷層形態(tài)與巖層的工程地質(zhì)特征組合會在一定程度上減小或減緩地下開采對地面變形的影響。本次開采沉陷預(yù)測按不利因素考慮斷層對地表變形的影響。從現(xiàn)狀地面變形量計(jì)算可知擬建鐵路線路上已經(jīng)發(fā)生的變形最大值，具體見表2。

表2 擬建場地采礦影響區(qū)的最大地表變形值(截止至2017年8月)

注：計(jì)算范圍為疏解線穿越的三礦井已采區(qū)域。

3.3 殘余地面變形計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方法

1)殘余變形的下沉計(jì)算。殘余變形預(yù)測模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)概率積分法中原有地表移動變形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)充分采動時引入下沉系數(shù)q。殘余變形階段的水平移動系數(shù)基本不變，下沉系數(shù)及主要影響角與時間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，殘余地面變形的計(jì)算公式如下：

q=ae-bt

(8)

式(8)中a和b表示為：

(9)

(10)

主要影響角正切的計(jì)算公式為：

tanβ=ae-bt

(11)

式(11)中a和b表示為：

(12)

(13)

式中，D為工作面寬度，m；H為采深，m。

2)殘余變形與時間的極值關(guān)系。上述殘余地面變形計(jì)算值為潛在最大殘余變形值，即老采區(qū)活化后巖層所有不良地質(zhì)條件被壓實(shí)所產(chǎn)生的沉降。選擇巖體開爾文模型推導(dǎo)本構(gòu)方程和蠕變方程可得，殘余變形與時間關(guān)系式：

Wc(x，t)=Wc(x)(1-e-λt)

(14)

式中，λ為時間影響參數(shù)，與巖體的巖性參數(shù)、開采條件、活化條件有關(guān)；Wc(x)為殘余下沉的潛在最大下沉值。

3.3.2 殘余沉降變形計(jì)算結(jié)果

擬選鐵路區(qū)域場地殘余變形計(jì)算結(jié)果詳見表3。

由于擬建線路東南側(cè)有新近開采的工作面，擬建線路地表殘余變形較大，擬建場地采礦影響區(qū)的最大地表殘余變形值參見表4。

表3 擬建場地采礦影響區(qū)的現(xiàn)狀最大地表變形值

注：計(jì)算范圍為疏解線穿越的三礦井已采區(qū)域。

表4 擬建場地采礦影響區(qū)的最大殘余地表變形值

注：計(jì)算范圍為夾河礦、義安礦及大劉礦采空區(qū)。

4 采動對擬建線路采空區(qū)場地地表沉降數(shù)值計(jì)算

4.1 模型建立

根據(jù)煤礦井田邊界與采空區(qū)分布建立FLAC3D模型，分析煤層開采地表垂直位移，得到煤層開采地表移動規(guī)律，確定疏解線位置。模型走向長3500m，寬度3300m，高度665m，地面標(biāo)高為+15～+23m。對模型底板施加水平和垂直約束，地表為自由邊界?；诂F(xiàn)場實(shí)際和計(jì)算簡化需要，對煤層進(jìn)行依次整層開挖，分別模擬計(jì)算煤層單獨(dú)和疊加開挖造成的地表沉降。數(shù)值計(jì)算模型及煤層賦存層位置如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

4.2 數(shù)值計(jì)算分析

對煤層進(jìn)行開挖，模型運(yùn)行平衡后得到地表沉降量變化如圖5所示。由圖5看出回采范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯下沉，由采空區(qū)區(qū)域向非含煤層區(qū)域垂直位移變小，對應(yīng)地面溝谷位置，下沉云圖出現(xiàn)拐點(diǎn)。地表下沉量與開采煤層數(shù)有明顯正相關(guān)性。

根據(jù)模擬計(jì)算，得到不同沉降區(qū)域的地表下沉量見表5。

表5 地表沉降量變化與累積量

圖5 不同煤層開采地表累計(jì)沉降量(mm)

由表5可知，2煤層開采對應(yīng)的沉降區(qū)在義安和夾河煤礦，其最大沉降量為1260mm和1180mm；而7煤層在三個煤礦均進(jìn)行開采，但由于工作面布置與2煤形成疊加開采，造成局部區(qū)域出現(xiàn)非連續(xù)變形(盆底位置與沉降極值出現(xiàn)非連續(xù)性)，1區(qū)域沉降量明顯增加，累積量為840mm，此時2區(qū)域煤層開采完畢，采空區(qū)變形已基本穩(wěn)定；在9煤層開采階段，2區(qū)域穩(wěn)定不會再發(fā)生沉降，1與3區(qū)域沉降增量分別為700mm與320mm，總計(jì)形成4個沉降盆地，為失穩(wěn)區(qū)。

5 結(jié) 論

煤層開采會產(chǎn)生較大的地表移動和沉降變形，后期伴隨著的較小的殘余變形，因此，在采空區(qū)影響范圍內(nèi)新建鐵路線路需要綜合考慮其地表變形量的大小和范圍，選擇合適的建設(shè)場地。

1)根據(jù)理論計(jì)算地表沉降變形和殘余變形對比，殘余沉降變形只占總變形的2%左右，殘余水平變形占總水平變形不到1%，可知，殘余地面變形較小，對線路場地影響不大。

2)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可知，1區(qū)由于三層煤的不同時開采，會產(chǎn)生較大的累積變形，因此，在進(jìn)行擬建鐵路線路場地選址時，應(yīng)注意1區(qū)地表沉降的時空影響，不影響工程建設(shè)。

3)擬建線路可分為三段，第一段鄰近義安和大劉煤礦分界段，采空區(qū)穩(wěn)定但有一定量的殘余變形量，為相對穩(wěn)定區(qū)；第二段為大劉和夾河煤礦井田交界線，該區(qū)域相對穩(wěn)定，但仍存在一定量的剩余變形。此兩段區(qū)域均為相對穩(wěn)定區(qū)，殘余變形量能滿足鐵路建設(shè)的沉降要求，滿足擬建鐵路設(shè)用地。三個煤礦包圍區(qū)域?yàn)槊旱V未開采區(qū)，其地表不受采動影響，為穩(wěn)定區(qū)域，該區(qū)域適宜于擬建線路，因此，在擬建線路場地影響區(qū)域內(nèi)在不發(fā)生新的開采情況下，疏解線擬建線路的建設(shè)場地總體是適宜的。