CN102330423B - 一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于采煤塌陷技术领域，具体地说是一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法。该方法包括采空区地基稳定性分析，路基残余沉陷变形和采动影响评价三部分组成。与《铁路地质工程手册》中推荐的计算方法相比，本发明更适合各种地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，充分考虑了煤层上覆地层的破坏特点和地表荷载影响深度，本发明适用于不同地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，适用范围广，评价结果合理、可靠，对潞安矿区及其他矿区开展采空区新建铁路的地基稳定性评价具有很好的借鉴意义。对加快矿区交通运输业的发展，缓解矿区可利用土地日趋减少的问题，促进矿区经济的可持续发展具有重要的意义。

Description

一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法

技术领域：

本发明属于采煤塌陷技术领域，具体地说是一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法。

背景技术

潞安矿区是我国重要的煤炭资源生产基地，近年来，随着煤炭及相其关产业的快速发展，矿区的交通运输压力日趋明显，已影响到企业的正常发展。而矿区内采空(动)区密布，给矿区铁路的建设带来难题，严重制约了矿区经济的可持续发展。

潞安矿区属于沁水煤田，现主采二叠系山西组3#厚煤层，上覆地层以砂岩、泥岩、砂质泥岩及第四系黄土层组成，覆岩中硬。现主要采煤方法有分层综采和综采放顶煤一次采全厚，开采强度高，推进速度快，这种情况下势必造成覆岩破坏剧烈，垮落断裂带异常发育，给地表新建铁路的安全运行带来隐患。因此只有在分析覆岩结构的基础上，准确预计不同开采方法煤层采后垮落断裂带发育高度和地面荷载影响深度，才能科学分析采空区地基的稳定性。

在采空区上新建铁路时，必须考虑地基的稳定性，以确保铁路的正常安全运行。在《铁路工程地质手册》中提出了安全开采深度的计算方法，其公式为：

H=K·M

式中：H——安全开采深度(m)；

K——安全系数，K值可参考表1；

M——矿层采出厚度(m)。

计算安全开采深度K值表表1

该计算方法认为，当煤层开采深度是在此深度以下采煤，即采空区的深厚比满足表1要求时，认为地面建筑物仅产生轻微变形，此种变形不致威胁人身安全，仅需停产维修。而根据采空区地表沉陷变形的一般规律可知，采空区地表的沉陷变形值不仅与煤层的采深、采厚有关，还与煤层覆岩岩性、开采方法以及地表荷载扰动深度有关，不同的地质采矿条件，对地表及铁路的影响差异很大，仅仅以深厚比作为衡量地基稳定与否，难以准确反映地基的长期稳定性，给新建铁路的建设和维护带来一定问题。

运用本发明之前的安全开采深度的计算公式，没有充分考虑矿区特定的地质采矿条件及开采工艺、开采方法，计算结果不可避免的会出现偏差，给采空区铁路建设带来隐患或者不必要的损失。因此，制定科学的采空区地基稳定性评价方法是本发明要解决的问题。

发明内容：

针对背景技术中的不足，本发明的目的是提供采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法，为采空区地基稳定性分析提供科学的技术依据，避免采空区活化给地表建(构)筑物造成明显的采动影响。

本发明的目的是采用以下技术方案完成的：

一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法，其特征在于：该方法包括采空区地基稳定性分析，路基残余沉陷变形和采动影响评价三部分；

所述的采空区地基稳定性分析包括：

1)垮落断裂带高度的计算：采用地面打钻施工，根据钻进过程中上下钻动水位、冲洗液消耗量及相关层段的注水试验结果确定垮落裂缝带高度，在此基础上，进行垮落断裂带的发育规律分析；

2)荷载影响深度计算

通过地基力学模拟认为，当采空区地基中因地面荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层的自重应力的5％时，可认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计，该深度即为地面荷载影响深度H影；

地基中自重应力用下式计算：

σ_c=r1h1+r2h2+...+rnhn

式中：r1、r2、…、rn——为地基中自上而下各层土或岩石的容重，kN／m3；

h1、h2、…、hn——为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m；

地基附加应力按下式计算：

σZ=kP0

式中：

k——各种荷载下的竖向附加应力系数；

P0——作用于基础底面平均附加压力，kN／m2；

计算地基附加应力时，应考虑棚车动荷载的影响，或将动荷载简化为等效静荷载；按均布矩形荷载计算地基附加应力，式中竖向附加应力系数k可查均布的矩形荷载角点下的竖向附加应力系数表取值；地基附加应力随深度增加而减小，而地基中自重应力随深度增加而增大；计算地基附加应力相当于地基自重应力5％处深度，即为建筑荷载影响深度H影；

3)采空区地基稳定性分析

当采空区最小采深H临大于垮落断裂带高度H裂与建筑荷载影响深度H影两者之和时，可认为采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动，即：

H临＞H裂+H影

也就是说，当H临＞H裂+H影时，采空区不会因铁路扰动而出现明显的集中变形，即采空区地基基本稳定，新建铁路时可不对采空区进行注浆处理；

当H临＜H裂+H影时，在地表荷载扰动下，采空区处于不稳定状态下，铁路运行过程中，易出现较为剧烈的集中变形，在这种情况下，应对铁路沿线采空区进行注浆加固；

所述的路基残余沉陷变形包括：根据地基稳定性分析结果，采用概率积分法进行地表及路基残余沉陷变形预计；对于地基稳定的采空区，仅考虑地表残余沉陷变形即可；对于未稳定的采空区，根据开采工艺、开采方法，计算地基受扰动而活化情况下的地表沉陷变形值；

所述的采动影响评价包括：根据路基残余沉陷变形结果，进一步分析地基沉降值和沉降速度，结合列车运行标准，进行路基维修保障性分析，提出相应的保护技术措施。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的优点是：

与《铁路地质工程手册》中推荐的计算方法相比，本发明更适合各种地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，充分考虑了煤层上覆地层的破坏特点和地表荷载影响深度，本发明适用于不同地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，适用范围广，评价结果合理、可靠，对潞安矿区及其他矿区开展采空区新建铁路的地基稳定性评价具有很好的借鉴意义。对加快矿区交通运输业的发展，缓解矿区可利用土地日趋减少的问题，促进矿区经济的可持续发展具有重要的意义。

具体实施方式：

下面就通过一实施例进一步加以描述本实用新型，本实用新型不仅仅限于所述实施例。

潞安集团煤基合成油铁路专用线位于位于余吾煤矿工业广场以西，处于余吾煤矿南二采区北翼上方，下方有S2105、S2106、S2107三个工作面，开采煤层为山西组3号煤，煤层厚度为5.31～5.35m，平均为5.33m，倾角2.2～12.5°，平均采深511m，其中第四系黄土层厚度为28.40～74.65m。

经计算，本区域采空区垮落断裂带的发育高度为117.2m，铁路棚车荷载影响深度(H影)为31m，两者之和为148.2m，本区域煤层最小采深为482m，因此，新建铁路的荷载均不会使采空区发生较大的不均匀沉降，地表不会出现非连续集中变形。根据沉陷变形预计，路基最大下沉1999mm，最大倾斜10mm／m，最大水平移动662mm，最大水平变形5.3mm／m，铁路将受到地表沉陷变形影响，需对路基进行预加高、预加宽处理，定期对线路顺坡、起道、拨道、串轨。

Claims (1)

1.一种采空区上新建铁路地基稳定性的评价方法，其特征在于：该方法包括采空区地基稳定性分析，路基残余沉陷变形和采动影响评价三部分；

所述的采空区地基稳定性分析包括：

1)垮落断裂带高度的计算：采用地面打钻施工，根据钻进过程中上下钻动水位、冲洗液消耗量及相关层段的注水试验结果确定垮落裂缝带高度，在此基础上，进行垮落断裂带的发育规律分析；

2)荷载影响深度计算

通过地基力学模拟认为，当采空区地基中因地面荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层的自重应力的5％时，可认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计，该深度即为地面荷载影响深度H_影；

地基中自重应力用下式计算：

σ_c=r₁h₁+r₂h₂+...+r_nh_n

式中：r₁、r₂、…、r_n——为地基中自上而下各层土或岩石的容重，kN／m³；

h₁、h₂、…、h_n——为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m；

地基附加应力按下式计算：

σ_Z=kP₀

式中：

k——各种荷载下的竖向附加应力系数；

P₀——作用于基础底面平均附加压力，kN／m²；

计算地基附加应力时，应考虑棚车动荷载的影响，或将动荷载简化为等效静荷载；按均布矩形荷载计算地基附加应力，式中竖向附加应力系数k可查均布的矩形荷载角点下的竖向附加应力系数表取值；地基附加应力随深度增加而减小，而地基中自重应力随深度增加而增大；计算地基附加应力相当于地基自重应力5％处深度，即为建筑荷载影响深度H_影；

3)采空区地基稳定性分析

当采空区最小采深H_临大于垮落断裂带高度H_裂与建筑荷载影响深度H_影两者之和时，可认为采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动，即：

H_临＞H_裂+H_影

也就是说，当H_临＞H_裂+H_影时，采空区不会因铁路扰动而出现明显的集中变形，即采空区地基基本稳定，新建铁路时可不对采空区进行注浆处理；

当H_临＜H_裂+H_影时，在地表荷载扰动下，采空区处于不稳定状态下，铁路运行过程中，易出现较为剧烈的集中变形，在这种情况下，应对铁路沿线采空区进行注浆加固；

所述的路基残余沉陷变形包括：根据地基稳定性分析结果，采用概率积分法进行地表及路基残余沉陷变形预计；对于地基稳定的采空区，仅考虑地表残余沉陷变形即可；对于未稳定的采空区，根据开采工艺、开采方法，计算地基受扰动而活化情况下的地表沉陷变形值；

所述的采动影响评价包括：根据路基残余沉陷变形结果，进一步分析地基沉降值和沉降速度，结合列车运行标准，进行路基维修保障性分析，提出相应的保护技术措施。