徐柳偉

摘要：煤炭資源分布范圍廣、儲量豐富、開采規(guī)模大，煤炭的大量開采，尤其是粗狂式的開采，使礦區(qū)形成大片的采空區(qū)，為解決煤炭運輸問題，高效利用鐵路的運能，常將運煤鐵路修建在礦區(qū)，鐵路建設過程中常會遇到線路穿越采空區(qū)的問題。詳細介紹采用綜合勘察手段探明采空區(qū)指導鐵路選線的典型工程案例，現(xiàn)已初步通車，效果良好。

關鍵詞：采空區(qū)；勘察

引言

某鐵路經(jīng)過鄂爾多斯東勝煤田、準格爾煤田，區(qū)內礦區(qū)廣泛分布，煤層開采后形成大面積采空區(qū)。敖包溝隧道全長3200m，穿越中興、公溝和敖家溝西梁煤礦，煤礦開采后形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)對隧道設計與施工有重要影響。

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)設計與施工的關鍵，采空區(qū)的工程探測手段主要有三類：地質調查、井下測量、綜合物探及工程地質鉆探。

1.1地質調查

地質調查包括外業(yè)調查和地質調繪，外業(yè)調查是通過搜集資料、調查訪問等方法對隧道附近煤礦采空區(qū)開采年代、開采方法、采空區(qū)形式以及范圍進行初步調查，對采空區(qū)大致范圍與形態(tài)有所掌握。地質調繪以垂直地質界線路線穿越法為主，重要地質界線采用沿線追蹤法；調查重點為煤礦采空區(qū)、軟弱巖層、節(jié)理密集帶、較大地表水體及地下水與構造薄弱帶的關系等。

1.2井下測量

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

1.3綜合物探

對于采空探查，常用物探方法有電法、地震、地質雷達，必要時可采用綜合測井等綜合物探手段。

1.4工程地質鉆探

工程鉆探是地質勘探中常用的方法，在采空區(qū)探測中，鉆探能夠詳細明確采空區(qū)的位置和埋深，對工程物探結果有很好的驗證及補充作用。敖包溝隧道下穿采空區(qū)勘探中，先后采用多臺鉆機進行采空區(qū)鉆探，鉆探按《鐵路工程地質鉆探規(guī)程》（TBl0014-2012）要求進行?？碧娇足@進嚴格控制回次進尺和轉速，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中都有詳細的介紹。我國煤炭開發(fā)歷史悠久，煤層賦存條件多樣，促使我國現(xiàn)代的采煤方法多種多樣，是世界上采煤方法種類最多的國家。這些采煤方法主要包括壁式采煤法和柱式采煤法兩大類。

2.2保安煤柱計算

通過調查、物探、鉆探等多種勘察手法，煤礦采空區(qū)基本同采礦權登記面積相同，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°，勘測期間實測巖層傾向為N60°W/6°S，根據(jù)《鐵路工程地質手冊》中大面積采空區(qū)的地表移動變形預測一章中，關于移動盆地邊界預測的走向邊界角的公式計算：

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)開挖后底板應力分布有關。

煤礦開采后采空區(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為采空區(qū)底板巖層破壞深度、原巖保護層厚、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、支護方式、爆破震動等。這些因素影響安全頂板厚度的穩(wěn)定，進而對下穿隧道圍巖的穩(wěn)定造成重要影響，對于隧道下穿采空區(qū)工程設計，采用多因素理論分析方法能預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)線路設計時，通過線路優(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)的工程風險，但在部分段落須下穿中興煤礦采空區(qū)，通過降低鐵路標高得以增大下穿采空區(qū)時安全頂板厚度，施工風險降低。因此，隧道穿越采空區(qū)設計方案應從投資、施工風險、工期等方面進行必選，而保安煤柱寬度、安全頂板厚度的確定是整個設計的關鍵，成為控制隧道投資、施工風險、工期的決定性因素。

3.結論

在鐵路及高等級公路工程建設中，經(jīng)常會遇到各種復雜的地質條件。其中各種類型的采空區(qū)對鐵路及高等級公路的修建和運營會產生嚴重的負面影響。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，對鐵路、公路路基、橋梁等將產生很大的破壞作用。近年來，由于山西、內蒙、陜西、山東等礦產資源大省鐵路、公路建設力度的加大，一些新建鐵路和公路不得不通過礦區(qū)，采空區(qū)的評價及治理問題又變得十分突出。因此，深入分析不同類型及性質的采空區(qū)上部地層變形破壞機理、對采空區(qū)地基穩(wěn)定性進行科學的評價，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的方案來處理采空區(qū)，是鐵路及公路工程建設中的當務之急。

本項目根據(jù)我院近年來采空區(qū)工程地質勘察、選線的經(jīng)驗，對采空區(qū)類型、采空區(qū)變形、采空區(qū)地基穩(wěn)定性進行了全面系統(tǒng)的分析研究