CN117291044B - 一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，包括获取铁路隧道沿线的采矿权分布区域、矿层分布范围；根据铁路隧道轴线和矿层走线的夹角对采空区隧道分类；根据采空区隧道分类确定稳定带宽度；根据采空区隧道分类确定铁路隧道安全需要的稳定范围；确定钻孔布置的区域；根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔；确定采空区最低开采标高及影响范围。本发明从采空区对铁路隧道影响出发，根据铁路隧道轴线和矿层走线的关系，分为顺矿层走向和倾向的采空区隧道，分别采用上山、下山及走向边界角并考虑维护带确定安全稳定带宽度及范围，结合采矿权分布，划分需要钻孔验证的区域，分序合理布置钻孔，以查明采空区最低开采标高及需要工程处理范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，属于铁路隧道勘察方法领域。
背景技术
地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生变形。采空区沉降将引起隧道下沉和线路坡度的改变；横向水平变形将致使轨道弯曲，并引起轨道平面的倾斜或曲线超高的改变；纵向水平变形，如压缩和拉张将使钢轨和轨枕挤紧和断开。采空区边界角为移动最外边界点和采空区边界点的连线与水平线在矿柱一侧的交角，包括沿矿层走向的走向边界角δ，沿矿层倾向上山方向的上山边界角γ，沿矿层倾向下山方向的下山边界角β。
采空区对铁路隧道施工和运营安全影响极大，应查明采空区的空间位置、塌落、回填和充水情况，地质钻探是最直接有效的方法，根据《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027)，“人为坑洞地区勘探点应根据勘察阶段，人为坑洞区场地复杂程度，采空区影响范围，线路纵、横断面方向，并结合工程建筑物类型、坑洞的埋藏深度、延伸方向进行布置，数量和间距应满足线路方案选择和各类建筑物与防护加固、治理工程设计的要求。”目前的隧道钻孔布置主要依靠地质技术人员的经验，以定性为主，缺少对钻孔位置的定量确定方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，以确保钻孔布置的合理性和有效性，大幅度提高铁路隧道勘察质量，降低勘察成本、节省勘察工期。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，包括：
获取铁路隧道沿线的采矿权分布区域、矿层分布范围；
根据铁路隧道轴线和矿层走线的夹角对采空区隧道分类；
根据采空区隧道分类确定稳定带宽度；
根据采空区隧道分类确定铁路隧道安全需要的稳定范围；
根据采矿权分布区域确定钻孔布置的区域；
根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔；
确定采空区最低开采标高及影响范围。
进一步的技术方案是，根据铁路隧道轴线和矿层走线的夹角对采空区隧道分类包括：
当铁路隧道轴线和矿层走线的夹角≤45°时，采空区隧道为顺矿层走向；
当铁路隧道轴线和矿层走线的夹角>45°时，采空区隧道为顺矿层倾向。
进一步的技术方案是，根据采空区隧道分类确定稳定带宽度包括：
当采空区隧道为顺矿层走向时，分别计算上山方向稳定带宽度、下山方向稳定带宽度；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，计算走向方向稳定带宽度。
进一步的技术方案是，所述上山方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：α为矿层倾角；γ为矿层上山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为上山方向稳定带宽度；
所述下山方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：α为矿层倾角；β为矿层下山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为下山方向稳定带宽度。
进一步的技术方案是，所述走向方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：δ为矿层走向边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为走向方向稳定带宽度。
进一步的技术方案是，根据采空区隧道分类确定铁路隧道安全需要的稳定范围：
当采空区隧道为顺矿层走向时，其稳定范围为沿隧道轴线的矩形，横向宽度，纵向宽度/>由矿层分布范围确定；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，其稳定范围为垂直隧道轴线的近对称梯形，横向宽度，纵向宽度/>由矿层分布范围确定。
进一步的技术方案是，根据采矿权分布区域确定钻孔布置的区域包括：
分别将采矿权范围的拐点坐标和隧道安全稳定范围的拐点坐标标注在地质平面图上，其重叠区域即为需要布置钻孔开展勘察的范围。
进一步的技术方案是，根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔包括：
当采空区隧道为顺矿层走向时，顺铁路隧道轴线分序布置钻孔；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，垂直铁路隧道轴线分序布置钻孔。
进一步的技术方案是，顺铁路隧道轴线分序布置钻孔包括：
顺铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按一定间距布置钻孔，垂直铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按一定间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔，Ⅰ序钻孔和Ⅱ序钻孔间距为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
进一步的技术方案是，垂直铁路隧道轴线分序布置钻孔包括：
垂直铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按一定间距布置钻孔，顺铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按一定间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔，Ⅰ序钻孔和Ⅱ序钻孔间距为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像（CT）法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
本发明具有以下有益效果：本发明从采空区对铁路隧道影响出发，根据铁路隧道轴线和矿层走线的关系，分为顺矿层走向和倾向的采空区隧道，分别采用上山、下山及走向边界角并考虑维护带确定安全稳定带宽度及范围，结合采矿权分布，划分需要钻孔验证的区域，分序合理布置钻孔，以查明采空区最低开采标高及需要工程处理范围。在保证查明采空区分布范围的同时减少了不必要钻孔的数量，进而降低了勘察成本，节省了勘察工期，实现了工程的经济性及合理性。
附图说明
图1是一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法流程图；
图2是顺矿层走向采空区隧道稳定带宽度横断面示意图；
图3是顺矿层走向采空区隧道稳定带宽度计算示意图；
图4是顺矿层走向采空区隧道需验证区域及分序钻孔布置平面示意图；
图5是顺矿层走向采空区隧道需验证区域及分序钻孔布置横断面示意图；
图6是顺矿层倾向采空区隧道稳定带宽度横断面示意图；
图7是顺矿层倾向采空区隧道稳定带宽度计算示意图；
图8是顺矿层倾向采空区隧道需验证区域及分序钻孔布置平面示意图；
图9是顺矿层倾向采空区隧道需验证区域及分序钻孔布置纵断面示意图；
图中示出部位名称及所对应的标记：地面-1、矿层-2、隧道半径-3、维护带宽度-4、下山变形带宽度-5、上山变形带宽度-6、隧道中心到矿层的竖直距离-7、矿层下山边界角-8、矿层上山边界角-9、矿层倾角-10、走向变形带宽度-11、矿层走向边界角-12、隧道轴线-13、稳定带区域-14、采矿权区域-15、需钻孔验证区域-16、Ⅰ序钻孔-17、Ⅱ序钻孔-18、Ⅲ序钻孔-19、隧道横断面-20、隧道纵断面-21、隧道洞身-22。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，包括以下步骤：
S01、线路通过矿层采空区时，查询铁路隧道沿线的采矿权分布区域；
包括各矿权的闭坑地质报告，历年的矿业权实地核查报告、储量动态监测报告、储量占用报告、储量核实报告、地质环境保护与治理恢复方案及地质灾害危险性评估报告等资料；
S02、资料收集与现场调查，确定矿床的地层岩性、层数、厚度、埋深、产状及构造；获取采空区的埋深、采高、开采范围、空间形态、顶板支护方式、顶板垮落情况；
S03、根据铁路隧道轴线和矿层走线的夹角对采空区隧道分类；
当隧道轴线和矿层走线的夹角≤45°时，为顺矿层走向的采空区隧道；
当隧道轴线和矿层走线的夹角>45°时，为顺矿层倾向的采空区隧道；
S04、根据采空区隧道分类确定稳定带宽度；
当采空区隧道为顺矿层走向时，分别计算上山方向稳定带宽度、下山方向稳定带宽度；
其中上山方向稳定带宽度由隧道半径、维护带宽度、上山变形带宽度组成；
L(上)=R+W+B(上)=
式中：α为矿层倾角；γ为矿层上山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为上山方向稳定带宽度；
下山方向稳定带宽度由隧道半径、维护带宽度、下山变形带宽度组成；
式中：α为矿层倾角；β为矿层下山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为下山方向稳定带宽度；
参见图2，BC和CD为隧道半径R，AB和DE为维护带宽度W，AF与FG的夹角为矿层下山边界角β，EM与ML的夹角为矿层上山边界角γ，MO与ON的夹角为矿层倾角α，CI为隧道中心到矿层的竖直距离H，FG为下山变形带宽度，LM为上山变形带宽度/>，∠GFI=∠MON=α。
其中，，/>，AG=CH，CI=CH+HI，FH=FG+GH；由此可得公式(1)：
即/>(1)
其中，，/>，EL=CK，CI=CK-IK，KM=KL+LM；由此可得公式(2)：
即/>(2)
铁路各保护等级的围护带宽度(m)
当采空区隧道为顺矿层倾向时，计算走向方向稳定带宽度；
走向方向稳定带宽度由隧道半径、维护带宽度、走向变形带宽度组成；
式中：δ为矿层走向边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为维护带宽度；为走向方向稳定带宽度；
参见图6，BC和CD为隧道半径R，AB和DE为维护带宽度W，AF与FG的夹角、EJ与JI的夹角为矿层走向边界角δ，CH为隧道中心到矿层的竖直距离H，FG和IJ为走向变形带宽度。
其中，，/>，AG=CH=EI；由此可得公式(3)：
即/>(3)
铁路各保护等级的围护带宽度(m)
S05、根据采空区隧道分类确定铁路隧道安全需要的稳定范围；
当采空区隧道为顺矿层走向时，其稳定范围为沿隧道轴线的矩形，横向宽度，纵向宽度/>由矿层分布范围确定；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，其稳定范围为垂直隧道轴线的近对称梯形，横向宽度，纵向宽度/>由矿层分布范围确定；
S06、根据采矿权分布区域，确定采空区隧道钻孔布置的区域；
分别将采矿权范围的拐点坐标15和隧道安全稳定范围的拐点坐标14标注在地质平面图上，其重叠区域16即为需要布置钻孔开展勘察的范围；
S07、根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔包括：
当采空区隧道为顺矿层走向时，顺铁路隧道轴线分序布置钻孔；
顺铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按一定间距布置钻孔，垂直铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔17，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按一定间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔18，Ⅰ序钻孔17和Ⅱ序钻孔18间距一般为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像（CT）法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
顺铁路隧道轴线勘探点间距(m)
当采空区隧道为顺矿层倾向时，垂直铁路隧道轴线分序布置钻孔；
垂直铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按一定间距布置钻孔，顺铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔17，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按一定间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔18，Ⅰ序钻孔17和Ⅱ序钻孔18间距一般为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像（CT）法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
垂直铁路隧道轴线勘探点间距(m)
S08、确定采空区最低开采标高及影响范围；
钻孔揭示采空区标高及其以上范围即为对隧道工程有影响的范围，需进行工程处理。
实施例
某高速铁路隧道位于川东平行岭谷区，隧址区发育云雾山背斜，背斜两翼分布须家河组（T3xj）煤系地层，须家河组煤层为重庆主要含煤地层，调查区内煤矿及老窑较多，且分布较广，煤矿开采历史悠久，主要含1～2层煤，煤层厚度变化较大，厚度为0.1～1.5m，平均0.6m。
查询铁路隧道沿线采矿权，分布柑子湾煤矿，建矿时间1996年，关闭时间2015年，井口标高+291.49m，开拓方式为平硐+暗斜井，煤层赋存层位为正连（T3xj1），矿层厚度0.25～0.37m，开采厚度0.5m，顶板岩性为砂质泥岩、泥岩，底板岩性为砂质泥岩。
矿区范围由4个拐点圈定而成，依次为（3281520，35610355），（3280180，35609220），（3280720，35609490），（3281650，35610210）。
铁路隧道与煤层小角度相交，为顺矿层走向的采空区隧道。隧道半径R=7.5m，国家高速铁路维护带宽度W=50m，煤层倾角α=15°，煤层上山边界角γ=55°，煤层下山边界角β=46°，隧道中心到矿层的竖直距离H=127m。
=/>=85.6m
=/>=122.7m
L 下=R+W+B 下=7.5+50+85.6=143.1m
L 上=R+W+B 上=7.5+50+122.7=180.2m
横向宽度L 横=L 上+L 下=143.1+180.2=323.3m
煤层顺线路纵向延伸约200m，取纵向宽度L 纵=200m；
将柑子湾煤矿拐点坐标和隧道安全稳定范围的拐点坐标同时标注在地质平面图上，其重叠区域如图4所示，主要位于隧道左侧，需布置钻孔进行验证。
从靠近隧道，煤层最低标高开始布置Ⅰ序钻孔，采空区区段为单斜构造，属中等复杂场地，Ⅰ序钻孔间距按100m考虑，布置3孔。
Ⅰ序钻孔均未揭示采空区，沿上山方向布置Ⅱ序钻孔，Ⅰ序钻孔与Ⅱ序钻孔间距30m。
DZ-Ⅱ序-03钻孔揭示采空区，可见采空区最低开采标高位于Ⅰ序钻孔和Ⅱ序钻孔之间，进一步通过DZ-Ⅱ序-03和DZ-Ⅰ序-03钻孔间进行跨孔弹性波层析成像（CT）法物探，确定柑子湾煤矿最低开采标高为+280m，该标高以上区域即DK523+500～DK523+700左侧60～143.1m为对铁路隧道有影响的采空区范围。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，包括：
获取铁路隧道沿线的采矿权分布区域、矿层分布范围；
根据铁路隧道轴线和矿层走线的夹角对采空区隧道分类；
当铁路隧道轴线和矿层走线的夹角≤45°时，采空区隧道为顺矿层走向；
当铁路隧道轴线和矿层走线的夹角>45°时，采空区隧道为顺矿层倾向；
根据采空区隧道分类确定稳定带宽度；
当采空区隧道为顺矿层走向时，分别计算上山方向稳定带宽度、下山方向稳定带宽度；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，计算走向方向稳定带宽度；
根据采空区隧道分类确定铁路隧道安全需要的稳定范围；
当采空区隧道为顺矿层走向时，其稳定范围为沿隧道轴线的矩形，横向宽度L横＝L上+L下，纵向宽度L纵由矿层分布范围确定；
其中L上为上山方向稳定带宽度；L下为下山方向稳定带宽度；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，其稳定范围为垂直隧道轴线的近对称梯形，横向宽度L横＝2L走，纵向宽度L纵由矿层分布范围确定；
其中L走为走向方向稳定带宽度；
根据采矿权分布区域确定钻孔布置的区域；
根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔；
确定采空区最低开采标高及影响范围。
2.根据权利要求1所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，所述上山方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：α为矿层倾角；γ为矿层上山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为围护带宽度；L上为上山方向稳定带宽度；
所述下山方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：α为矿层倾角；β为矿层下山边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为围护带宽度；L下为下山方向稳定带宽度。
3.根据权利要求1所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，所述走向方向稳定带宽度的计算公式为：
式中：δ为矿层走向边界角；H为隧道中心到矿层的竖直距离；R为隧道半径；W为围护带宽度；L走为走向方向稳定带宽度。
4.根据权利要求1所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，根据采矿权分布区域确定钻孔布置的区域包括：
分别将采矿权范围的拐点坐标和隧道安全稳定范围的拐点坐标标注在地质平面图上，其重叠区域即为需要布置钻孔开展勘察的范围。
5.根据权利要求1所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，根据采空区隧道分类分序合理布置钻孔包括：
当采空区隧道为顺矿层走向时，顺铁路隧道轴线分序布置钻孔；
当采空区隧道为顺矿层倾向时，垂直铁路隧道轴线分序布置钻孔。
6.根据权利要求5所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，顺铁路隧道轴线分序布置钻孔包括：
顺铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按间距布置钻孔，垂直铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔，Ⅰ序钻孔和Ⅱ序钻孔间距为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
7.根据权利要求5所述的一种山区铁路采空区隧道钻孔布置方法，其特征在于，垂直铁路隧道轴线分序布置钻孔包括：
垂直铁路隧道轴线根据采空区复杂程度按间距布置钻孔，顺铁路隧道轴线从最低开采标高布置Ⅰ序钻孔，若揭示采空区，则表明高于此标高的上山矿层均为采空区，需进行工程处理，可不再进行钻探；若未揭示采空区，表明还没开采到此标高，需按间距向上山方向布置Ⅱ序钻孔，Ⅰ序钻孔和Ⅱ序钻孔间距为30m，以便在钻孔间进行跨孔弹性波层析成像法物探，同理，依次分序在上山方向布置钻孔，直到查明采空区或者钻孔已布置到安全稳定范围外结束。
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