周国辉
(武汉铁四院工程咨询有限公司,武汉 430063)
摘 要：织金至毕节铁路从白布矿井(二期)井田中西部穿过,为确定井筒的本身结构是否安全,井筒施工是否会危及铁路的安全,煤矿在开采期间是否对铁路造成影响,通过模型计算及风险源识别评估分析,结果表明,矿井下穿铁路设计方案合理安全。
关键词：矿井；下穿；铁路；安全；风险评估
1.1 矿井井筒与铁路的关系
织金至毕节铁路线路位于贵州省西北部，从毕节东站北端D2K320+000引出至织金站北端D1K399+639.275=黄织线DK63+600，长约79.888 km，含织金地区相关工程。织毕铁路该段基本已施工完毕，煤矿矿井正处于设计方案阶段，主斜井、副斜井和回风斜井从织毕铁路下方通过，井筒在铁路下方处的层位为基岩龙潭组砂岩，铁路在该处为路基填方区，填方厚度为4.4～6.2 m。3条井筒与铁路交叉处的具体参数见表1，井筒位置如图1所示。
表1 井筒与铁路位置参数 m
交叉点(与铁路)线路位置平面坐标(54坐标)XY井筒顶板高程铁路高程井筒与铁路净距离回风斜井DK347+065.32991092.635556652.4+1165.3+1197.6132.3主斜井DK347+100.62991057.435556650.1+1168.4+1197.6131.2副斜井DK347+135.92991022.235556647.8+1160.7+1197.6136.9
图1 井筒在铁路纵断面中的位置(单位：m)
1.2 矿井开采范围与铁路的关系(铁路保护煤柱留设)
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第59条[4]，留设铁路保护煤柱时，受护面积的设计：路堤以两侧路堤坡脚外1 m为界，路堑以两侧堑顶边缘为界，在两侧界限以内的范围为受护对象。根据《铁路安全管理条例》第27条[2]，铁路线路两侧应当设立铁路线路安全保护区。铁路安全保护区统一取20 m。铁路保护煤柱受护面积为铁路线路安全保护区边界以内的区域，即从铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶或者铁路桥梁(含铁路、道路两用桥，下同)外侧起向外范围。
织毕铁路为国家电气化铁路，沿铁路受护对象边界向外再留设20 m维护带宽度。
2.1 井筒断面
(1)主斜井
主斜井承担煤炭运输、人员运送和辅助进风，布置胶带输送机和架空行人装置，铺设通信控制电缆及消防洒水管路等。井筒提升方位角281°，倾角11.5°。设计巷道净宽5.0 m，墙高1.5 m，净断面积17.3 m2；巷道掘进宽度5.8 m，掘进断面积24.2 m2。
(2)副斜井
副斜井承担矿井辅助运输、主进风和排水，铺设600 mm轨距单轨，布置排水、压风、洒水管路、动力电缆、通信控制电缆等。井筒提升方位角281°，倾角11.5°。设计巷道净宽4.8 m，墙高1.8 m，净断面积17.7 m2；巷道掘进宽度5.6 m，掘进断面积24.7 m2。
图2 主斜井衬砌断面(单位：mm)
(3)回风斜井
回风斜井承担矿井回风任务，井筒内布置高、低负压瓦斯抽采管路。回风斜井井筒提升方位角为281°，倾角11°。设计巷道净宽5.2 m，墙高2.0 m，净断面积21.0 m2；巷道掘进宽度6.0 m，掘进断面积28.5 m2。
2.2 支护参数
采用锚网喷+砌碹支护，锚杆为φ20×2200 mm螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm；金属网网格为100 mm×100 mm，钢筋为φ6.5 mm；喷射混凝土强度等级为C20，厚度120 mm；钢筋混凝土砌碹永久支护厚度400 mm，混凝土强度等级C30，抗渗等级为P8，钢筋保护层厚度40 mm。
井筒下部地层承载力小于120 kPa时，采用MU20毛石、M5水泥砂浆砌筑井筒基础，基础每侧超出巷道边缘100 mm，基础嵌入承载力大于120 kPa的老土深度不小于500 mm。
2.3 施工方法
(1)明槽开挖；(2)注浆管棚作为超前支护法。
3.1 井筒的结构安全计算
根据主斜井与织毕铁路的位置关系，分析采用Midas有限元软件荷载-结构模型，对主斜井结构的衬砌强度检算采用破损阶段法，结构所受的荷载按可能的最不利组合情况计算。最不利荷载考虑，主斜井结构上部有竖向围岩压力、结构自重、列车活载。列车活载取铁路标准“中-活载”。见图3。
图3 主斜井井筒荷载计算简图
根据以上计算荷载组合计算，矿井衬砌结构内力如图4、图5所示，砌碹结构关键部位内力检算结果见表2。
图4 弯矩图(单位：kN·m)
图5 轴力图(单位：kN)
表2 砌碹结构关键部位内力检算
序号位置轴力/kN弯矩/(kN·m)截面高度/mm配筋面积/mm2规范要求安全系数K计算安全系数偏心类型裂缝宽度规范要求/mm1拱顶21.057.22400942229.00小偏心不用验算2拱腰364.962.89400942223.18小偏心不用验算3拱腰364.982.89400942223.18小偏心不用验算0.24墙脚368.66.54400942221.68小偏心不用验算5墙脚368.66.54400942221.68小偏心不用验算
计算结果表明，主斜井井筒结构安全系数满足规范要求，井筒结构下穿织毕铁路是安全的。
3.2 井筒爆破开挖可能诱发邻近滑坡滑动影响路基稳定的风险
井筒施工时，矿井井筒下穿铁路路基，宜采用非爆破法施工，减少对已建成铁路路基结构或正在修建的路基结构的扰动。若采用爆破法时，可采用微振爆破，应严格控制振动速度，并满足《爆破安全规程》(GB6722—2003)表13-1爆破振动安全允许标准[3]。爆破振速应控制在10 cm/s以内。将对铁路的影响降到可接受范围，确保铁路路基安全，避免井筒爆破开挖振动可能诱发邻近滑坡滑动影响路基稳定的风险。
3.3 井筒施工期间瓦斯突出的安全风险
煤矿瓦斯爆炸是一个偶发事件，其爆炸时的影响因素众多，不能判断其可能的爆炸当量，众多瓦斯爆炸事故案例分析，并未造成矿井巷道的完全破坏，因此认为瓦斯积聚产生的爆炸当量不会超过1 t炸药的爆炸当量。假设按最不利条件考虑，煤矿发生瓦斯爆炸时，按1 t炸药的爆炸当量来考虑，上方铁路路基处的质点振动速度可根据《爆破安全规程》(GB6722—2003)13.2.4条公式[3]计算得到。
经计算爆破振速V=0.55 cm/s。
此结果远低于《爆破安全规程》(GB6722—2003)表13-1中对各种建筑物的爆破振动安全允许标准的要求[3]，因此，采煤过程中的瓦斯爆炸对上方的铁路安全基本没有影响。
3.4 井田采煤期间，对铁路安全的影响风险
铁路采煤影响范围为58 m。依据设计方提供的工业场地与铁路的关系平面图，边界拐点距离铁路最近为51.1 m，均处于铁路占地范围38 m以外，工业场地设置对铁路无影响。
在织毕铁路D2K351+600左右，线路前进方向右侧的保护煤柱宽度留设仅有56 m <58>
图6 铁路留设煤柱E-E断面(单位：m)
(1)白布矿井(二期)井筒下穿织毕铁路设计超前支护和砌碹支护参数设计合理，上部铁路对下部井筒结构安全无影响。
(2)矿井工业场地的各控制边界点处于线路安全保护区范围以外，工业场地的设置满足铁路安全管理条例中的规定，无安全风险，不会影响铁路安全。
(3)铁路保护煤柱的留设，在D2K351+600附近处于线路安全保护区范围以内，在此段落开采煤层，有安全风险，影响铁路安全。
白布矿井(二期)工程目前正处于建设阶段，在矿井施工过程中，铁路下方井筒的衬砌安全可靠，与理论计算相符；矿井的施工也未对织毕铁路的安全造成影响。通过以上评估，此类评估除考虑矿井结构物本身的安全之外，应充分考虑矿井本身的使用阶段的重要风险，有针对性地对越界开采、瓦斯气体等关键风险源进行分析，确保安全。
参考文献：
[1] 全国人民代表大会常务委员会.中华人民共和国铁路法[S].北京：中国民主法制出版社，1991.
[2] 中华人民共和国国务院令第639号.铁路安全管理条例[S].北京：中华人民共和国国务院，2013.
[3] 国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程(2011版)[S].北京：中国标准出版社，2011.
[4] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，1985.
[5] 中华人民共和国铁道部.铁路工程环境保护设计规范[S].北京：中国铁道出版社，1999.
[6] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2009.
[7] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]200号铁路隧道风险评估与管理暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2007.
[8] 中华人民共和国铁道部.TB10120—2002铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2002.
[9] 中煤科工集团南京设计研究院有限公司.白布矿井(二期)井筒下穿织毕铁路设计[Z].中煤科工集团南京设计研究院有限公司,2014.
[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.
[11]石舒.盾构隧道下穿铁路工程风险及对策[J].现代隧道技术，2012，49(1)：138-142.
[12]杨庆.膨胀岩与巷道稳定[M].北京：冶金工业出版社，1995.
ZHOU Guo-hui
(Wuhan Tiesiyuan Engineering Consulting Co. Ltd., Wuhan 430000, China)
Abstract：Zhijin to Bijie railway (phase II) passes calico mine from mid-west. To ensure the safety of the well bore structure, determine the impact of shaft construction on railway operation, and the impact of coal mine excavation on the railway, model calculation and identification of risk source analysis and evaluation are conducted. The results show that the mine passing under the railway is reasonable and safe.
Key words：Mine; Under passing; Railway; Safety; Risk assessment
收稿日期：2015-06-15；
修回日期：2015-06-26
作者简介：周国辉(1982—)，男，工程师，2004年毕业于湖南科技大学，E-mail:605634633@qq.com。
文章编号：1004-2954(2015)12-0072-03
中图分类号：U458
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.017
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