铁路隧道下伏煤矿采空区稳定性

高军1，2林晓3

高军1，2林晓3

1.清华大学土木工程系北京海淀100083；2.武广高铁公司湖北武汉430212；

3.中国石油大学（北京）北京昌平100061

摘要：文章就铁路铁路隧道下伏采空区影响铁路正常运行以及铁路路基稳定性的相关内容展开了论述，通过调查分析隧道下部采空区，论述了铁路隧道下部采空区的实际情况。模拟分析了采空区的稳定性数值，利用概率积分方式预计和评价了采空区地变形以及地表移动的数值。

关键词：铁路隧道；下伏煤矿；采矿区；稳定性

通过大量的实践调查得知，有很多的不稳定性存在于铁路隧道路段下伏采空区中，这样一定会威胁到铁路隧道的正常应用，所以，我们一定要从具体情况入手，将相应的防控方案制定出来。

一、工程案例分析

文章以某煤矿工程为例，在+250~+500m之间控制煤矿开采标高，当前已经采空了标高+272米以上的所有部分，在40-140厘米之间控制开采宽度。通过自然坍落的顶板方式处理煤矿。K21煤层是隧道区域内主要开采的煤矿，只有K21煤层的采空区会影响到隧道。以281米为基准设计隧道标高，在+272米处控制K21煤层在隧道区内的开采标高。因为煤系地层比较软弱且容易破碎，还有比较陡的倾角，一般在35°-50°之间，坑在关闭后会有老窑水出现在采空区，并且在隧道开挖时还可能出现塌陷问题，所以，我们必须要细致的分析采空区的稳定性问题。

二、采空区地表变形特性与稳定性分析

近年来，随着科学技术的发展，我国煤矿开采行业取得了前所未有的发展，但是，在开采煤矿时经常容易出现采空区，而且这些采空区的出现也是对煤矿开采安全性产生影响的主要区域。所以，如何正确的掌握煤矿采空区的地表变形特征以及稳定性有着非常重要的意义：

1、稳定性指标分析

通常需要围绕曲率值K、水平变形值、下沉量以及倾斜值等方面进行评定分析。与此隧道下伏采空区的实际情况相结合，与相关行业规程相结合，下表为具体的评价标准。

表一采空区场地稳定性等级评价标准

2、模拟分析数值

该工程主要通过ANSYS这种常用的数值计算机软件对采矿区煤层板顶岩体的应力、破坏特征、位移情况等进行模拟分析，从而将科学的数据依据为隧道穿越采空区防治工作提供出来。

在0.6米控制煤层的基本采高，在500米控制模型几何尺寸走向（x），在316米控制深度方向（y），从而把岩体移动的变形状况模拟出来。大地静应力场用原岩应力表示，整合连续接触的介质是各个岩层的主要特征。

对工作面开采前后的基本情况进行了模拟分析，基于地应力的影响，向着x、y方向位移煤层顶底板覆岩，而且确保整体方向上的位移。水平位移方向用x表示，垂直位移方向用y表示。

通过现场勘测的具体位移情况得知，在只分析地应力的影响下，在没有开挖煤层之前，它在x轴和y轴处的最大值即为0.0024和0.386，。由此能够得知，在开挖煤层后，有显著的沉降变化出现在了煤层中。通过将相关的模拟数据提取后发现，在开采煤层后，隧道与煤层的角接处是对隧道影响最严重的部位，其中在0.276米控制了其最大值。

3、计算地表变形和地表移动

按照规范中的公式以及有关理论数据，通过概率积分预计算法把采空区可能出现的变形特征以及地表移动等情况预测出来，依据充分采动的基本情况，把各种稳定性参数计算出来。

①、最大沉降值

Mqcosa＝46.09mm＝Wmax

在这个式子中，煤层的开采厚度用M表示，它的数值为650mm；下沉系数用q表示，按照国家一些煤矿地表下沉系数值，在0.65控制q的取值，煤层的倾角用a表示，它的取值为35°。

②、基本半径

H/tanP＝7.59m＝r

分析最大水平变值

如以下公式：

在该式子中，间距值用h表示，通过调查分析该煤矿，其最低采空区的标高在+270m；在移动沉陷处，隧道的标高控制在+281米，高度在h等于11米。关键性正切值用tanP表示，按照其他位置地表移动的具体数据，在1.45左右控制tanp的平均值。

剩余的变形量和移动量时对开挖铁路隧道以及运营时产生影响的主要因素。在我们国家，因为每个矿井的支护方案、顶板管理技术、覆岩特性、开采工艺方面存在差异性，所以，通常只能够按照实测资料以及工程经验来计算研究变形量以及剩余移动问题。

4、评价分析采空区的稳定性

按照上表中有关稳定性的评价指标得出，在276mm控制着最大数值模拟沉陷值，在207.65mm控制着剩余下沉量，而且呈现出欠稳定范围的稳定等级；而且在41.59mm控制着基本的水平变值，而且在不稳定等级范围内控制稳定等级，在27.36mm/m控制着剩余倾斜值。同样也在不稳定范围内控制稳定等级。

与上述的分析及计算相结合，一般在不稳定类型处控制着采空区，这样很容易引起路基的塌陷、弯曲变形或者开裂，它的变形量以及剩余移动都会影响到铁路隧道开挖后的运营以及开挖质量，所以一定要通过科学的方案对采空区的塌陷问题进行控制。

结语：

综上所述，在评价分析隧道下伏采空区稳定性时，不但要细致的分析与考虑最大变形值与最大移动值，而且研究得知，剩余变形量和剩余移动值是影响铁路隧道开挖以及运营的重要性因素。按照概率积分法计算以及数值模拟分析法进行计算和验证，而且不稳定类型是采空区所展现出的主要特诊，容易引起铁路隧道出现变形、塌陷、开裂以及弯曲等问题，难以满足新修铁路稳固性对地表变形的一些规定，所以，我们必须要采用必要的措施去稳固采空区。

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