采空區地質勘察及對京沈客專穩定性影響評價

苗高建

摘 要：為了評價他拉皋煤礦采空區對京沈高鐵DK429+000～DK430+500段穩定性影響，通過分析礦區地層巖性及地質構造，采取對采空區煤礦資料收集及調查、物理勘探、地質鉆探驗證等綜合勘察方法，對采空區進行地質勘察并確定采空區邊界，評價線路穩定性。同時采用鐵路保護煤柱設計方法來確定安全邊界，防止地表變形影響鐵路行車安全。結果表明擬建線路位于他拉皋煤礦采空區安全圍護范圍以外165m，高鐵可從擬定線位處安全通過。

關鍵詞：采空區 穩定性 安全邊界

中圖分類號：X14 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0074-02

隨著近年來高速鐵路的快速發展和煤炭資源深部開采的增多，大量鐵路都不可避免穿越煤礦及其采空區，采空區對鐵路建設的影響越來越大[1]。采空區由于其工程地質條件復雜對鐵路工程選線及穩定性具有十分重要的影響，因此必須查清地下采空區的工程地質情況[2]，評價其對鐵路工程的影響及線路穩定性，以便鐵路安全通過。

擬建京沈鐵路DK429+000～DK430+ 500段從他拉皋煤礦北側通過，采空區位于擬建線路右側。為查明煤層及采空區的分布狀態，通過走訪、調查、收集資料等方法對他拉皋煤礦的分布、開采、埋深、儲量及采空情況有了初步了解的基礎上，采用人工地震反射波法和直流電法進行采空區勘察，對煤礦采空區邊界進行進一步的劃分，此外布置適量鉆孔以揭示地層，為物探解譯提供參數并對物探解譯成果進行驗證。

通過綜合勘探等手段取得勘察成果分析鐵路穩定性，選取鐵路保護煤柱的計算方法判定該采空區的安全邊界范圍并評價鐵路穩定性，對京沈客專該段穩定性作出評價。

1 煤礦地質條件及采空區情況

1.1 概況

他拉皋煤礦位于擬建京沈鐵路CK429 +086～CK429+758右側350～800m，該段線路位于丘陵、剝蝕緩丘區，地形波狀起伏，緩丘與沖溝相間。線路走向及煤礦平面示意圖如圖1所示。

1.2 地層巖性

該地區含煤地層主要為古生界石炭系，其次是中生界的侏羅系下統北票組（J1b）。地質測繪及鉆探揭示，采空區及其影響范圍內表覆第四系全新統人工堆積層（Q4ml）、第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）新黃土，下伏白堊系下統大凌河組（K1d）安山巖、玄武巖，侏羅系下統北票組（J1b）礫巖、砂巖、頁巖夾煤層，石炭系上統（C3）砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層，奧陶系下統（O1）石灰巖，震旦系下統高于莊組（Z1g）石灰巖。

1.3 地質構造

他拉皋煤礦位于中朝準地臺與內蒙地軸相交部位的朝陽北票兩個斷陷盆地的交接部位，朝陽～藥王廟斷裂帶從礦區通過，在礦區范圍內形成一系列疊瓦式逆沖斷層，造成地層陡傾，斷層走向NE40°～60°，傾向SE10°～40°，傾角50°～80°。煤層位于單斜構造中，由東至西漸趨陡傾，傾向300°～310°，傾角65°～85°。

1.4 水文地質條件

礦區地下水分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水分布于第四系松散堆積層中，一般埋深1.0～>10m，主要含水層為砂類土及碎石類土。受大量開采的影響，地下水水位有逐年下降趨勢。基巖裂隙水主要賦存于低山和丘陵區的基巖節理裂隙中，含水量不大，埋藏較深。該礦區附近正常涌水量25m3/h，最大涌水量47m3/h。

1.5 礦區開采情況

他拉皋煤礦于上世紀90年代末進行開采，為他拉皋一帶較大的煤礦，斜井開采。目前該礦有斜井2口，斜井按照礦脈產狀布置，開采深度在100～400m范圍，局部開采深度已經達到450m，一般分7層開采，其中2、4層為主要開采層，其他煤層局部開采，且均開采20～30m，留10m左右的安全礦柱。2009年勘測時礦區采煤作業還在進行，主采作業面位于一號采煤區，平面距離擬建鐵路約350～500m，二號采煤區平面距離擬建線路約400m，僅向線路方向開挖了一條探煤巷道，因未發現可采煤層而未進行生產開挖。

2 采空區工程地質勘察

2.1 資料收集及調查

通過走訪、調查、收集區域地質資料、礦區勘察報告、井上井下對比圖等方法已經對煤礦的分布、開采、埋深、儲量及采空情況有了初步的了解。由于礦區大量地下開采煤層形成的采空區塌陷使得附近山體地表塌陷，大面積出現地裂縫。塌陷坑位于煤礦南東側的山體上，距擬建線路500～600m，塌陷區呈長橢圓形，長軸方向為NEE～SWW向，長約400m，短軸方向為NNW～SSE向，寬約150～200m，山體上分布多條地裂縫，裂縫寬0.5～3.0m，延伸長度近百米。

通過分析該區域地質構造，擬建線路位于煤層底板一側，平面上線路與煤礦采礦區間又有傾向煤礦采礦區一側（線路右側）的逆斷層相隔，因此初步分析判定其基底穩定，不會出現采空塌陷。經現場調查擬建線路附近地表未發現有塌陷及裂縫產生，既有民房未見破壞。

2.2 物理勘探

為進一步查明煤層及采空區的分布狀態，結合采空區分布路段內的地質路基及橋涵工點進行了煤礦采空區的勘探工作。為了查明采空區的分布情況進行了物探勘察，物探采用人工地震反射波法和直流電法進行采空區勘察，對煤礦采空區邊界進行進一步的劃分。

物探解譯圈定的采空區邊界與現場調查到的煤礦開采情況有較大差別，物探解譯在礦區南西側，采空區邊界范圍小于礦方提供的正在開采的一號采煤區的范圍，因此本資料采用收集到的礦方提供的開采范圍作為采空邊界線；而礦區北東側，礦方提供的采掘圖未見開采巷道，但物探解譯開采邊界卻突破礦界，并有較大范圍的延伸，物探圈定煤礦采空區平面示意圖見圖2所示。鑒于物探解譯的多解性及小礦采掘資料的不準確性，該資料在礦區南西側采用調查收集到的采掘資料上的開采邊界作為采空邊界，而礦區北東側的采空邊界采用物探解譯邊界。由圈定范圍圖可知采空區邊界距擬建線路最近處為335m。

2.3 地質鉆探

針對物探所得結論，在靠近擬建鐵路一側的安全區及采空區塌陷破壞區分別布置鉆孔進行勘察驗證，以揭示地層并為物探解譯提供參數并對物探解譯成果進行驗證，共完成地質鉆探9孔，累計進尺402.5m。安全區內共布置鉆孔8個，鉆進過程中孔內未見異常，巖芯均較完整，多呈柱狀，反映孔位處地層未曾遭到采空區塌陷的擾動破壞，保持了原始的地層層序及產狀。采空區塌陷區內布置鉆孔鉆至孔深20m時孔內漏水嚴重，鉆進無法進行，鉆得巖芯極其破碎，未見塊狀或柱狀巖芯，反映孔位處地層已遭到采空區塌陷的擾動破壞，失去了原始的地層層序及產狀。

3 采空區穩定性評價

線路從采空區西北側經過，為了防止煤礦地表變形影響鐵路路基穩定危及行車安全，采用鐵路保護煤柱設計方法來確定安全邊界[3]。采空區安全圍護邊界計算示意圖如圖3所示。

其中：

L 安全距離

l1 基巖塌陷移動距離

l2 第四系地層塌陷移動距離

l0 安全圍護距離

H 采空區頂板厚度

h1 采空區基巖頂板厚度

h2 采空區第四系松散地層頂板厚度

γ1 基巖塌陷移動角

γ2 第四系松散地層塌陷移動角

計算參數的選取

根據現場調查，采空深度為100～400m，最深達450m，綜合分析后，確定上山方向（靠近線路方向）采空埋深采用150m，下山方向（遠離線路方向）采空埋深采用450m，礦區附近所鉆9個鉆孔揭示第四系地層厚度2.5～18.5m，計算時第四系頂板厚度采用20m；參照《鐵路工程地質手冊》[4]，確定上山塌陷移動角γ1=50°，γ2=45°，安全圍護距離l0=40m。

計算后可知，擬建線路位于他拉皋煤礦采空區安全圍護范圍以外165m，擬建線路附近地面未見地面塌陷，因此線路可以在現有采空邊界的情況下在礦界北側安全通過。

4 結語與建議

（1）通過搜集煤礦普查和開采資料，調查煤礦開采現狀和塌陷狀況，并通過物探及鉆探勘察資料，基本查明了他拉皋煤礦的開采邊界.通過分析該區域地質構造，擬建線路位于煤層底板一側，且有逆斷層相隔，因此判定其基底穩定，不會出現采空塌陷。

（2）通過計算擬建線路位于他拉皋煤礦采空區安全圍護范圍以外169.1m，線路可以在現有采空邊界的情況下在礦界左側（擬建鐵路一側）安全通過。

（3）他拉皋煤礦采空區塌陷區附近的鐵路線路應盡量以路基方式通過，必須設橋的工點應盡可能壓縮橋長。

（4）由于他拉皋煤礦尚在按原規劃對煤層繼續進行開采，且每年正以50～100m的采掘速度進行開采，線路方案確定之后，要盡快辦理停采或限采手續，做好對擬建鐵路的安全圍護工作，預留保護煤柱以確保鐵路方案的可行性，嚴格控制現有煤礦企業向擬建鐵路方向繼續開采，以確保鐵路建設順利實施及運營安全。

參考文獻

[1] 陳則連.煤礦采空區地基變形及對鐵路工程影響評價研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[2] 童立元，劉松玉，邱鈺，等.高速公路下伏采空區問題國內外研究現狀及進展[J].巖石力學與工程學報，2004（7）：1198-1202.

[3] 嚴棟，鐵路采空區工程地質勘察及穩定性評價[J].鐵道工程學報，2014（4）：11-14，56.

[4] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999.