绵泸高铁大面积采空区采动影响研究及防治措施_龙清亮.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202204124开放科学（资源服务）标识码（OSID）绵泸高铁大面积采空区采动影响研究及防治措施龙清亮（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：依托绵泸高铁内自泸线穿过螺观山脉时遇无法绕避的大面积煤层采空区，比选采动影响对高铁的安全危害最小、地质条件最优的线路方案。通过充分的资料收集、大面积地质调绘对比、再结合钻探、多种物探探测成果进行综合分析和专题研究，查清采空区影响范围，确定方案；针对采空区对高铁的影响进行定量分析，并采取有效的防治措施。关键词：高速铁路；大面积采空区；理论分析；选线；防治措施中图分类号：P694文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0216 06 0 引言绵泸高铁内江至自贡至泸州段（简称内自泸段）是中国首条以地方投资为主体的高速铁路项目，设计速度目标值为 250 km/h。因内自泸段投资主体和路网的特殊性，地方要求线位走向要经过自贡市富顺县和泸州市泸县两座人口大县，并在县城边设中间站，两县直线距离仅约 20 km，线位从富顺至泸县近正西向东方向，而两县中间横贯近南北走向的螺观山山脉。线路须穿越该山脉，山脉中呈连片状分布的煤矿采空区，采空区规模大小及在地面下的位置深度不等，铁路线位无法完全避开采空区的采动影响，严重制约高铁线位，已成为高速铁路地质选线1中的采空区重大地质问题2。需经过大量的资料收集和深入的地质论证工作，比选出采空区采动影响最小的地段为线位方案，同时对线位通过地段采空区的采动影响有充分的定量分析和工程处理措施，确保高铁安全运营。本文比选确定了线位并查清线路通过地段的工程地质条件，最终对采空区分布情况及对工程的危害进行了定量分析研究，提出可行的措施，为设计提供了合理的地质参数，较好地指导了施工。1 工程概述内自泸段位于四川省中南部地区，由内江经自贡至泸州，线路总体走向为北东-南东向，所经地段延绵分布有螺观山系华蓥山系向南延伸的余脉（当地也称龙贯山）。该山脉呈近南北向条带状展布，山脉中地层为三叠系上统须家河组（T3xj）含煤地层，为当地的主要采煤区位，当下山中大小煤矿呈连片状分布，开采从民国时期至今延续时间长，从小规模的私采到大规模开采，采空范围大。采动影响区对工程的稳定性存在极大危害，而内自泸段大角度穿越此山脉，直观上无法避开采空区，需进行科学论证进行地质选线，确保采空区对线路的影响最小、工程处理最简，达到无运营风险。2 场区工程地质特征 2.1 自然地理特征采空区地段位于富顺县与泸县之间，对应线路里程为 IDK89+000IDK93+000 段，线路全长4 km，其中 IDK90+990.05IDK92+238.61 段为刘家咀隧道，其余为路基工程。海拔 350500 m，属丘陵谷地貌与低山区地貌两个单元，丘陵谷为宽平的缓丘及丘间宽谷构成，地形起伏小，低山区为呈条带状分布的螺观山山脉，由北向南倾斜。2.2 地质构造特征项目区属新华厦系构造，位于扬子准地台四川盆地川东南平行岭谷区，属扬子准地台四川台坳之川中台拱，川东褶皱带南端，由紧密的背斜和宽缓的向斜组成北东-北北东向隔挡式构造，线路IDK89+000IDK93+000 段左右侧附近断续分布多条断层、褶皱，岩层产状变化频繁。主要褶曲为梯子崖背斜，主要断层为黄泥垭断层和天洋坪断层。收稿日期：2022 06 07作者简介：龙清亮（1972），男，贵州铜仁人。高级工程师，主要从事铁路岩土工程勘察、工程地质勘察工作。E-mail：。路基工程 216 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）2.3 地层岩性特征区内出露中生界侏罗系（J）、三叠系（T）两套地层。其中侏罗系（J）主要分布于丘陵区，为陆相沉积地层，岩性以泥岩、砂岩、细粒长石石英砂岩、泥岩夹砂岩互层或砂岩夹泥岩等，为典型的“川中红层”软质岩；三叠系（T）主要分布于低山区，为上统须家河组（T3xj），岩性为灰白色长石岩屑石英砂岩、岩屑石英砂岩夹灰黑色页岩、炭质页岩及薄煤层，或呈互层。按岩性可分为六段，其中二、四、六段为厚-巨厚层状灰白、灰黄色石英砂岩，石质坚硬，节理较发育；一、三、五段厚度较小，为灰-深灰色泥岩夹炭质页岩、薄煤层及薄-中厚层状粉细砂岩，岩质较软。一、三、五段所含煤层层数多、厚度小且不稳定，一般厚1020 cm，最厚 50 cm 左右，易变薄尖灭，为区内的主要采煤层位。2.4 采空区特征场区主采煤层为“三型炭”层，局部开采“天铁炭”层，其它煤层位较薄不具备开采条件未采。从地表至地下近 300.0 m 范围内只要具备开采条件的基本都已进行了开采，采煤顺岩层面倾角1520进行，采高 0.51.0 m，采用斜井开拓方式，走向长臂式采煤方法。主巷条石砌拱，采巷锚杆、锚喷或矿工钢支架支护，部分矸石局部充填采空区。古佛煤矿及许家煤矿之间留有保安煤柱，煤层未连通，井下调查发现，采巷完整性好，基本未存在顶板坍塌的情况。3 采空区工程地质勘察 3.1 线位比选及方案确定线位比选主要在场区 8 km 范围内进行，通过对煤矿及采空区集资收集和现场调查比选，结合局部勘探验证分析，首先重点对 15 个线位方案进行工程地质条件比选，然后从中选取 3 个地质条件相对较好的“穿许家煤矿方案、古佛煤矿北线方案及 IDK 线方案”进行同精度的综合勘察比较。螺观山采空区分布及线位方案，见图 1。线路方案工程地质条件对比，见表 1。大水冲煤厂许家煤矿（同心煤业）13凉水井煤矿45IDK90IDK924古佛煤矿#1深孔#2深孔IDK91AABB采空区影响范围采空区范围穿许家煤矿方案古佛煤矿北线方案推荐方案IDK线图1螺观山采空区分布及线位方案 表1线路方案工程地质条件对比项目IDK线方案穿许家煤矿方案古佛煤矿北线方案线路穿越煤矿情况线路穿行古佛煤矿北端与许家煤矿接触段，大里端穿越凉水井煤矿。古佛煤矿于2013年关闭，凉水井煤矿于上世纪60年代初关闭线路直穿许家煤矿。许家煤矿2014年投资近亿元扩建，目前正在开采中线路穿行于古佛煤矿与许家煤矿间，大里端直穿大水冲煤矿。该煤矿1993年关闭穿越地段煤层开采情况古佛煤矿开采三型炭煤层，煤层平均厚度0.30 m，平均倾角18，采高按0.50 m考虑，凉水井煤矿开采三型炭煤层，煤层平均厚度0.35 m，采高按0.50 m考虑许家煤矿开采天铁炭和三型炭两层采煤区。其中三型炭煤层，煤层平均厚0.33 m，平均倾角10，采高按1.00 m考虑；天铁炭煤层，煤层平均厚0.24 m，平均倾角10，采高按1.00 m考虑大水冲煤矿开采三型炭采煤区，煤层平均厚度0.50 m，平均倾角10，采高按1.00 m考虑煤矿采空区分布情况根据钻探资料及物探成果显示，线位下方古佛煤矿有两处采空区，采高约0.50 m，范围小，且位于线路标高以下（埋深）247.00205.00 m；凉水井煤矿采空区1处，长度12.00 m，采高0.40 m，位于线路下方6.0010.00 m根据钻探资料及物探成果显示，线路下方两层采空区且呈连通状，采厚上层0.401.00 m，下层0.300.80 m，位于线路标高以下（埋深）180.0060.00 m根据钻探资料与物探成果显示，线路下方采空区连通状分布，采厚0.501.00 m，采空区位于线路标高以下（埋深）80.0020.00 m是否压覆煤矿 未压覆煤矿压覆煤矿保有资源储量为121.0万t，其中三型炭保有资源储量72.3万t；天铁炭保有资源储量48.7万t，需要压矿赔偿未压覆煤矿工程地质条件评价线路下方古佛煤矿采空区规模小，采厚不大，且埋置较深，对线路工程影响小；凉水井煤矿采空规模不大，且采空区位于铁路下方仅6.0010.00 m，可以通过工程处理加固，消除影响采空规模大，埋置深度难以通过工程处理，对线路工程影响大采空区规模较大，且埋置深度难以通过工程处理，对线路工程影响大 最终选择在山体折转地段（山势变化点）穿越山体最短、煤层薄化明显、采空规模较小、地质条件相对较好的许家、凉水井与古佛煤矿、大水冲煤矿间，经论证和微调后，最优地质条件的 IDK 线为稳定方案，仅穿过各煤矿的局部采空地段或采动影响带内。线路工程地质纵断面及物探结果，见图 2。龙清亮：绵泸高铁大面积采空区采动影响研究及防治措施 217 4002000J1-2zJ1zT3xj6T3xj5NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN#1钻孔三型炭凉水井煤矿煤 层煤层采空区煤层采空区影响范围煤层采空区影响带弯曲带裂隙带冒落带591592弯曲带裂隙带冒落带许家煤矿古佛煤矿铁路线里程/km（a）线路工程地质纵剖面H/m（b）电阻率断面里程/km20202040404040404040606060606060606060606060858585858585858585858510010010010010010010010010010010012012012012012012012012012012016016016016016016016016016016016020020020020020020030030040040J1-2zJ1zT3xj6T3xj5310NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN凉水井煤矿冒落带钻孔未见采空区煤层煤层采空区92.4892.58107.68120.08120.38152.8866.1831014 305 14 591592#1钻孔许家煤矿古佛煤矿铁路线4002000H/m图2线路工程地质剖面及采空区影响带、物探成果 3.2 勘察成果综合煤矿资料收集及钻探和物探勘察成果结果显示，稳定方案下方和附近一定范围内由于山体位于转折处，煤层薄化明显，段内煤层基本没有开采，局部采高在 0.30.5 m，规模小且埋深较大，只有凉水井煤矿采空相对较浅，上世纪 60 年代就已关闭，系人工开采，规模相当小，且采空地段距隧道底面较近，工程处理难度小。因此，稳定方案下伏采空区规模小，对高铁影响不大，通过工程处理后线路通过是可行的。4 采空区采动影响危害的定量分析3-9 4.1 线位下方采空区上覆地层的稳定性分析下部煤层开采后，上部地层原始地应力平衡被打破，采空区上方岩土体在一般情况下(侧压力系数3)必然要进行应力重分布，发生复杂的变形和移动。总的过程是自下而上逐渐发展形成三个变形带：冒落带、裂隙带和弯曲带，严重地段在地表往往形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，采空区上方岩土体通过一系列的变形和应力调整，最后达到新的应力平衡状态而达到暂时稳定状态。各个影响带具体范围及最终最大沉降值及地表移动延续时间要根据煤层采厚、煤层倾角、岩石碎胀系数及煤层开采过中顶板下沉值以确定，根据煤矿采空区岩土工程勘察规范（GB 510442014）附录L、H 相关计算公式结合本矿区的地层岩性情况选取对应计算公式并作定量分析。4.1.1 采空区破坏高度的计算（1）冒落带计算Hm=Mw（K1）cos（1）式中：M 为煤层采厚，m；为煤层倾角，（）；K 为岩石碎胀系数；w 为煤层开采过程中顶板下沉值，m。各煤矿采空区垮（冒）落带高度计算结果，见表2。表2场区各煤矿垮（冒）落带高度计算结果煤矿名称煤层采厚M/m煤层倾角/（）岩石碎胀系数K煤层开采过程中顶板下沉值w/m冒落带高度Hm/m古佛1.0181.10.079.79许家0.4101.10.073.35凉水井0.4151.10.073.42（2）裂隙带计算HL=100M1.6M+3.65.6（2）式中：M 为煤层采厚，m。各个煤矿采空区裂隙带高度计算结果，见表 3。路基工程 218 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）表3场区各煤矿裂隙带高度计算结果煤矿名称煤层采厚M/m煤层倾角/（）岩石碎胀系数K煤层开采过程中顶板下沉值w/m裂隙带高度HL/m古佛1.0181.10.0719.235.6许家0.4101.10.079.435.6凉