蔡瑞卿

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

地下煤炭資源開(kāi)采會(huì)打破巖土原始的應(yīng)力平衡狀態(tài),造成圍巖失穩(wěn),從而產(chǎn)生開(kāi)裂、位移、破碎、垮落,最終導(dǎo)致上層巖土下沉、彎曲變形和破壞[1]。采空區(qū)沉陷范圍和沉降量與上覆巖土層厚度、采空區(qū)埋深、巖層傾向傾角以及開(kāi)采方式等密切相關(guān)[2]。采空區(qū)沉陷可導(dǎo)致地表發(fā)生連續(xù)或者非連續(xù)形態(tài)的變形,包括地表裂縫、地表拉裂、地表扭曲、地表階梯狀塌陷坑等[3]。

我國(guó)幅員遼闊,煤炭資源豐富,華北、東北以及西北等地區(qū),廣泛分布侏羅系、石炭系、二疊系等含煤地層,煤層厚度及分布深度跨越較大。煤炭開(kāi)采已有較長(zhǎng)歷史,采空區(qū)既有之前開(kāi)采過(guò)的古窯,也有近年正在開(kāi)采的新礦區(qū),形成的采空區(qū)分布范圍和深度等情況都比較復(fù)雜,導(dǎo)致工程地質(zhì)勘察及采空區(qū)治理難度較大。

近年來(lái),隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的高速發(fā)展,受地方規(guī)劃及線路走向等多種客觀條件限制,多條鐵路不可避免地穿越采空區(qū),如朔黃線、京滬線、太中線、石太線、張?zhí)凭€、沈丹線、太焦線等,都在一定程度上遇到采空區(qū)沉陷問(wèn)題[4]。因此,采空區(qū)沉陷研究成為一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容,采空區(qū)沉陷范圍及沉降量的分析和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否,直接影響采空區(qū)的預(yù)防和整治措施的制定和實(shí)施。

我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究采空區(qū),逐漸形成概率積分法、砌體梁法、威布爾預(yù)計(jì)法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法等一系列采空區(qū)計(jì)算和預(yù)計(jì)的理論方法[5-8]。目前,采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律研究已比較深入,劉寶琛提出的概率積分法具有理論依據(jù)清晰、巖土參數(shù)明確等優(yōu)點(diǎn);洪加明等在結(jié)合北票、阜新、本溪等礦區(qū)地表沉陷實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,詳細(xì)研究概率積分法參數(shù)與采礦條件之間的關(guān)系,對(duì)概率積分法參數(shù)選取具有一定的指導(dǎo)意義[9];劉葉杰等在大量模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上,提出樣條概率積分法,該方法具有參數(shù)意義明確、函數(shù)樣式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[10];汪吉林等基于概率積分法,采用FLAC3D建立多層三維模型,模擬并分析某采空區(qū)地表移動(dòng)殘余變形和應(yīng)力分布特征,能夠較好地分析地基變形問(wèn)題[11];李春雷等基于概率積分法對(duì)北洺河鐵礦采空區(qū)進(jìn)行沉陷分析并進(jìn)行合理預(yù)測(cè)[12];武濤基于概率積分法分析某采空區(qū)沉陷范圍及其沉降量,并根據(jù)沉降等值線確定采空區(qū)影響邊界,為鐵路選線提供依據(jù)[13]。

然而,由于煤礦實(shí)際開(kāi)采方式及工況比較復(fù)雜,在進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬時(shí),需要將實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,計(jì)算成果往往存在一定偏差。以下基于概率積分法,綜合分析采空區(qū)的地表沉陷情況,并與沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以期獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

某鐵路位于華北平原燕山南麓中朝地臺(tái)(Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元)燕山沉降帶(Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元)的東南側(cè),華北板塊燕山斷層褶皺帶南緣的中段。線路自西南向東北方向延伸,該區(qū)域位于燕山旋回所造成的復(fù)式含煤向斜內(nèi),地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,褶皺、斷層較發(fā)育,線路走向及工程地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 線路走向及工程地質(zhì)構(gòu)造

1.2 地層巖性

根據(jù)巖土勘察及煤炭開(kāi)采資料,該區(qū)域地層自上而下分別為第四系沖洪積層,主要為黏性土、砂類(lèi)土及卵礫石,厚200～300m;二疊系砂礫巖、頁(yè)巖及煤層,厚570～640m;石炭系灰?guī)r及煤層,厚190～300m。

1.3 含煤地層

該區(qū)域內(nèi)含煤地層主要為石炭系、二疊系,主要含煤地層為山西組及太原組上段。含煤地層有9層,可開(kāi)采的煤層有6層,其中5、8、9煤層是該礦中較為穩(wěn)定的中厚-特厚煤層,厚2～5m,為該礦的主采煤層,局部地區(qū)12-1層、12-2層和14層可以開(kāi)采。

1.4 開(kāi)采方法

煤炭開(kāi)采方法為現(xiàn)代化機(jī)械開(kāi)采,對(duì)于一般礦區(qū),主要采用走向長(zhǎng)壁工作面,全部陷落法管理頂板,特厚煤層采用傾斜分層、金屬網(wǎng)偽頂或綜采放頂煤等開(kāi)采方法;對(duì)于建筑物下礦區(qū),則采用條帶式、充填等特殊開(kāi)采方式進(jìn)行開(kāi)采。礦區(qū)頂板陷落是造成地面沉陷的主要原因。

1.5 鐵路附近地表變形

自20世紀(jì)80年代以來(lái),礦區(qū)長(zhǎng)期開(kāi)采,導(dǎo)致地下出現(xiàn)巨大空洞,地下圍巖原有應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞,最終空洞周邊土體失穩(wěn)塌陷,導(dǎo)致地面沉陷。目前鐵路部分段落路基已經(jīng)出現(xiàn)路基下沉,嚴(yán)重影響列車(chē)行駛安全,已多次通過(guò)補(bǔ)填道砟的方式進(jìn)行治理。

2 采空區(qū)沉陷計(jì)算方法及參數(shù)選取

2.1 采空區(qū)沉陷計(jì)算方法

概率積分法是一種以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的采空區(qū)沉陷計(jì)算方法。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看,可以把整個(gè)地下開(kāi)挖空間分解為無(wú)限個(gè)微小的單元,這樣整個(gè)開(kāi)挖空間對(duì)周?chē)鷰r土層及地表的影響等于各個(gè)微小單元對(duì)巖土層及地表的影響之和。地下開(kāi)挖空間對(duì)周?chē)鷰r土層及地表的影響是一個(gè)連續(xù)函數(shù),而周?chē)鷰r土層及地表移動(dòng)下沉是一個(gè)隨機(jī)、偶然的事件[14]。

取單元坐標(biāo)系O-XYZ,以原點(diǎn)O為開(kāi)挖空間單元的中心,那么坐標(biāo)系內(nèi)某點(diǎn)A(x,y,z)的鄰近區(qū)域dsA(面積微單元)發(fā)生沉降事件,等價(jià)于過(guò)A點(diǎn)的2個(gè)垂直方向的剖面上dx和dy小塊面積微單元同時(shí)發(fā)生下沉,dx和dy面積小塊各自發(fā)生下沉的概率服從密度函數(shù)f(x)的分布。由于地下開(kāi)挖空間引起的A點(diǎn)鄰近區(qū)域dsA下沉的概率與所選取的坐標(biāo)軸方向無(wú)關(guān),故A點(diǎn)下沉的概率分布函數(shù)為

求解以上概率分布函數(shù),得到概率密度分布函數(shù),有

式中f(x2)為概率密度分布函數(shù);p為積分常數(shù);k為微分方程系數(shù)。

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論,微小單元開(kāi)挖空間引起的地表下沉盆地規(guī)律遵循正態(tài)分布,并且與概率密度的分布規(guī)律相一致。因此,整個(gè)開(kāi)挖空間引起的地面下沉剖面方程可以用概率密度函數(shù)的積分形式來(lái)表示故地表單元下沉盆地剖面的表達(dá)式為

A點(diǎn)臨近區(qū)域微單元面dsA的概率分布函數(shù)以及單元下沉盆地表達(dá)式可以表示為

式(3)及(4)中,r為主要影響半徑。

對(duì)dsA微小單元進(jìn)行積分,即可得到整個(gè)開(kāi)挖采區(qū)的概率積分函數(shù)以及單元下沉盆地表達(dá)式,即

將(4)代入式(5),可以得到整個(gè)地表單元移動(dòng)表達(dá)式,即

式中,Wcm為最大地表下沉值。

移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)變形與變形最大值計(jì)算如下。

式中,icm為最大地表傾斜值;Kcm為最大地表曲率值;εcm為最大水平變形值;Ucm為最大水平移動(dòng)值;M為煤層法線采厚;q為下沉系數(shù);α為煤層傾角;b為水平移動(dòng)系數(shù)。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

煤炭開(kāi)采區(qū)域位于向斜盆地北側(cè),開(kāi)采深度為800m,其中第四系松散層厚240m,基巖厚560m,沖積層厚度約占地層總厚度的30%。計(jì)算所選取的巖移參數(shù)是在附近監(jiān)測(cè)站資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合并參考礦區(qū)提供的巖移參數(shù)資料,綜合分析反演,最終確定該區(qū)域地表移動(dòng)與變形的預(yù)計(jì)參數(shù)如下。

下沉系數(shù)q=0.84;重復(fù)采動(dòng)系數(shù)n=1.1;影響角正切tanβ=0.9;拐點(diǎn)偏移距S=0;水平移動(dòng)系數(shù)b=0.34;開(kāi)采影響傳播系數(shù)K=0.65;開(kāi)采影響傳播角θ=90°-Kα(α為煤層傾角)。

3 沉陷現(xiàn)狀分析及變形預(yù)測(cè)結(jié)果

將確定的概率積分地表移動(dòng)變形參數(shù)、工作面開(kāi)采要素及鐵路連接線地表計(jì)算點(diǎn)等信息輸入計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖2),由圖2可知,紅色區(qū)域?yàn)橐验_(kāi)采工作面,黃色區(qū)域是尚未開(kāi)采工作面。采用適用于多煤層、多工作面的概率積分法預(yù)計(jì)程序和等值線繪制程序進(jìn)行計(jì)算和處理。

圖2 工作面開(kāi)挖示意

3.1 鐵路當(dāng)前沉降量計(jì)算

將鐵路影響范圍內(nèi)礦區(qū)各工作面當(dāng)前開(kāi)挖情況簡(jiǎn)化后導(dǎo)入概率積分法預(yù)計(jì)程序,得出鐵路沿線各里程的當(dāng)前沉降量,并與監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖3。

計(jì)算結(jié)果表明,鐵路當(dāng)前沉降范圍為K9+310～K12+038,地表沉降段落長(zhǎng)2728m,在K10+979處沉降量最大,為4947mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,鐵路沿線在K10+800處沉降最大,最大沉降量為4862mm。程序計(jì)算最大沉降量的位置與實(shí)際監(jiān)測(cè)最大沉降量的位置基本吻合,計(jì)算最大沉降量與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差為85mm(誤差比例僅1.7%),能夠較好反映采空區(qū)影響范圍內(nèi)當(dāng)前的沉降情況。

鐵路穿越采空區(qū)段落的沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可以清晰看出,沉陷盆地中心沉降量最大,沉陷盆地中心區(qū)域距離鐵路線路的最近距離約為430m,沉陷中心點(diǎn)向外沉降量逐漸減少,鐵路沿線地表沉陷段落的最大沉降量為4947mm。

該鐵路等級(jí)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí),根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》,工后沉降應(yīng)小于200mm[15],通過(guò)沉陷計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,鐵路沉降量遠(yuǎn)大于規(guī)范控制值,需要按照相關(guān)要求進(jìn)行整治。

3.2 鐵路最終沉降量計(jì)算

將鐵路影響范圍的礦區(qū)已開(kāi)采工作面及規(guī)劃開(kāi)采作業(yè)面簡(jiǎn)化后導(dǎo)入概率積分法預(yù)計(jì)程序,通過(guò)計(jì)算鐵路沿線最終沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 鐵路沿線最終計(jì)算沉降量

計(jì)算結(jié)果表明,鐵路最終沉降范圍為K9+235～K12+112,地表沉降段長(zhǎng)2877m,在K10+592處沉降量最大,為8213mm,沉降大于規(guī)范允許值,需要根據(jù)沉降計(jì)算進(jìn)行整治。

通過(guò)等值線繪制程序,將鐵路穿越采空區(qū)段落最終沉降計(jì)算結(jié)果用等值線表示(見(jiàn)圖6)。從圖6中可以看出,沉陷盆地中心沉降量最大,沉陷盆地中心區(qū)域距離鐵路線路的最近距離約280m,鐵路沿線地表沉陷段落的最大沉降量為8213mm。

圖6 鐵路沿線最終沉降等值線

4 結(jié)論

(1)鐵路當(dāng)前沉降范圍為K9+310～K12+038,K10+979處沉降量最大,為4947mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)最大沉降量為4862mm,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

(2)所有鐵路影響范圍工作面開(kāi)采結(jié)束后,鐵路沉降范圍為K9+235～K12+112,在K10+592處沉降量最大,沉降量為8213mm。

(3)采空區(qū)規(guī)劃工作面全部開(kāi)采后,地表沉陷盆地中心有向鐵路靠近的趨勢(shì)。