某鐵路采空區地質選線研究

武　濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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某鐵路采空區地質選線研究

武濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

摘要某鐵路穿越平莊煤田礦區，礦區內分布有大量采空區。研究了東端引入方案、中穿方案及西端引入方案，其中中穿方案地質條件復雜，存在采空、地面沉降(塌陷)、邊坡穩定性等多種工程地質問題。對中穿方案的可行性進行重點研究，針對不同地質問題進行了地質調查、物探測試、鉆探驗證、InSAR沉降分析、沉降盆地計算及邊坡穩定性分析等專項研究。根據研究結論，推薦中穿方案，并提出措施意見。

關鍵詞中穿方案采空區邊坡穩定性InSAR沉降分析

本項目位于內蒙古自治區東部和遼寧省西部地區，沿線經過喀左縣、建平縣、寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區、紅山區、松山區七個縣級及以上行政區。鐵路等級為雙線客運專線，設計時速為250 km，正線線路長度166.078 km，橋隧長100 km，占比為60.2%。

1方案概況

線路于寧城縣穿越平莊煤田，線下分布采空區。在綜合考慮地形、采空區分布、平莊站位的選擇等方面，研究了三個方案，分別為東端引入方案、西端引入方案、中穿方案，見圖1。

圖1　方案位置

2方案比選

2.1方案評價

各方案的優缺點見表1。

從表1可以看出，東端引入方案隨線路長度及投資最具優勢，為推薦方案，但投資較大，線路長度大，且與地方規劃發展相悖，為此研究中穿方案的可行性。

2.2中穿方案存在的問題

中穿方案于露天煤礦夾縫及平莊煤田礦區內穿過，見圖2。兩側露天礦相距約1.8 km，西側露天礦開挖最大深度約200 m。根據當地地質災害防治規劃圖，中穿方案于地質災害危險區夾縫內穿過，兩側危險區邊界間距約800 m，調查期間，局部地段可見裂縫。

表1　方案優缺點比較

圖2　評價線路位置

中穿方案對線路影響主要有三個方面：(1)線下采空情況；(2)采空沉降情況；(3)兩側露天礦邊坡穩定性及其失穩后影響范圍。因此，對中穿方案進行重點研究。

3中穿方案可行性分析

針對中穿方案存在的地質問題，采用了地質調繪、物探測試、鉆探驗證等不同勘察手段，以及InSAR沉降監測分析、沉降計算及邊坡穩定性分析等方法分別進行研究。

3.1采空分析

(1)地層巖性

平莊煤盆地基底為前震旦系變質巖，在盆地內沉積了中生界和新生界地層。特別是盆地內侏羅系上統碎屑沉積巖普遍發育，白堊系下統孫家灣組、第三系在盆地內呈不整合于下伏地層之上，并有多種巖漿活動。區域地層厚度、巖性特征及接觸見表2。

表2　綜合地質柱狀

(2)區域地質構造

平莊煤田位于受乃林—平莊—元寶山—橋頭等雁行斜列的聚煤盆地內，區內構造、斷層發育。線位行于背斜核部，同時受溫泉斷裂帶控制，西側煤層斷出地表，核部及東側煤層出露地表，煤層已被剝蝕，見圖3。

圖3　平莊煤田地質圖

(3)物探及鉆探情況

為進行方案驗證，進行了大量的物探及鉆探工作，共完成淺層地震反射測線20條，長度14 452 m；共完成鉆孔18孔/3 984 m。

物探驗證：

物探勘察采用以淺層地震反射法為主，天然源大地電磁為輔的技術方案。設備包括S-land地震勘探系統、MTU5電磁采集系統MTK。

在CVK113+500～CVK116+000工區，通過淺層地震反射物探工作，共解釋推斷了11處松散塌陷區或松散巖層區及3處主要斷裂帶，未發現采空空洞。

鉆探驗證：

本區鉆孔中僅少量鉆孔遇煤線，最厚煤層僅0.9 m，鉆探過程中未發現任何掉鉆現象。

驗證區內地質構造活動活躍，斷層發育，存在一小型背斜，受構造及斷層影響，線路附近含煤地層出露，已被剝蝕。通過物探測試、鉆探驗證，線路附近無可開采煤層，且線下不存在采空區及巷道。但受西側露天礦及東側永興、古山煤礦煤層開采的影響加之地質構造活動，地下巖體受擾動較大，巖體破碎，裂隙發育。

3.2采空沉降分析

考慮到線路兩側分布數個煤礦，采用調查、InSAR沉降監測分析、沉降計算等方法對線路附近煤礦采空沉降進行分析。

(1)采空地面塌陷調查

線位兩側分布有山前村煤礦、盛隆煤礦、興安煤礦大小煤礦數十個，開采歷史可追溯到解放前，20世紀90年代煤礦整合為永興煤礦、太平地煤礦、大黑山煤礦、西露天煤礦、全盛炭質泥巖礦等，其中永興煤礦對線路影響大。該礦范圍內賦存4、5、6三個富煤層，其中6組煤為主要可采煤層，平均可采厚33.63 m，采用立井單水平開拓方式，開采高程為+535～250 m，回采率高達63.9%。

勘測期間，對線路方案經過的地區進行了現場地面塌陷情況調查，地面塌陷主要發生在西露天街道、全盛炭質泥巖礦周圍及永興煤礦西北。

根據分析，線路附近房屋裂縫、地表裂縫主要為露天礦放坡導致，裂縫范圍擴展至其礦界外，且目前仍在發展。

(2)InSAR沉降監測分析

本次勘察將InSAR監測系統性用于區域地面沉降監測，主要解譯了2009-2014年該地區的SAR圖像及數據。

通過自由組合構建得到19個符合條件的干涉對，進行InSAR數據預處理，SVD分解后，得到最終的沉降反演結果(如圖4所示)。

圖4　2009～2011年累計沉降量

經過對數據的處理，在監測區域共發現8個區域沉降漏斗，三個設計方案都有效閉繞了沉降區域。其中F區的累積沉降量較大，距離中穿方案東側約1.2 km。

(3)采空沉降分析

根據現場調查，G1-G6點為現場調查明顯沉陷點，位置坐標及計算參數見表3、表4。

表3　計算點坐標

表4　采空區移動參數

塌陷邊界：

塌陷邊界距線位的最短距離為608 m(見表5)。

表5　塌陷邊界

移動盆地計算結果：

計算沉降等值線變形量10 mm的等值線離線位最短距離約566 m(見圖5)。

圖5　沉降等值線

3.3露天礦邊坡穩定性分析

根據現場地形地貌、地層條件、煤礦開采情況結合線路位置選取了5個代表性斷面進行計算，計算參數見表6。

表6　邊坡穩定性分析主要巖層參數取值

(1)1-1剖面和2-2剖面采用Slide軟件中Bishop法進行計算，邊坡的整體穩定安全系數分別為1.07和1.03，邊坡發生潛在整體滑動的影響范圍為650 m和240 m。

(2)3-3剖面采用FLAC軟件進行分析，經過強度折減法計算，邊坡整體上處于臨界狀態，局部穩定安全系數為0.91，存在垮塌的風險，但水平影響范圍相對較?。?-4剖面采用Bishop法進行分析，邊坡同樣處于臨界狀態，局部沿軟弱層穩定安全系數為0.968，也存在局部垮塌的可能(見圖6、圖7)。

圖6　3-3剖面計算結果

圖7　3-3剖面破壞示意

(3)由于坡度相對較陡，5-5剖面采用Slide軟件中Bishop法和摩根斯頓-price法分別進行計算，考慮最不利軟弱層參數進行計算，發現該邊坡整體處于不穩定狀態，在降雨等外部不利因素影響下容易發生整體性滑動或崩塌，水平影響距離最大達到400 m。

4結論及建議

采用地質調繪、物探測試、鉆探驗證等不同勘察手段，以及InSAR沉降監測分析、沉降計算及邊坡穩定性分析等方法對中線方案進行驗證分析，具體結論如下。

4.1結論

(1)中穿方案線路通過區為小型背斜構造近核部位，受斷層及地質構造控制，線路通過區含煤地層被剝蝕，下方主要為侏羅系上統杏園組地層，夾少量煤線，不具開采價值。通過物探測試及鉆探驗證，線路附近無可開采煤層，無采空區及巷道。

(2)基于InSAR監測數據評價，共發現8個區域沉降漏斗，最大累計沉降量為0.9 m，最大沉降速率0.6 m/年，目前的設計方案有效避開了上述沉降區域，但E、F沉降漏斗區距離線路方案較近，其中E區位于中穿方案東側，西距線位510 m，監測期間累積最大沉降量為0.3 m，F區位于中穿方案西側1.2 km，監測期間累積最大沉降量為0.9 m。

(3)基于概率積分法對線路東側地下開采沉降總變形量進行了計算，總變形量為10 mm的等值線西距線位566 m；基于巖移參數對線路東側地下開采移動盆地塌陷邊界進行了計算，塌陷邊界西距線位608 m。塌陷變形區范圍和InSAR監測的E沉降區范圍比較吻合，塌陷變形區邊界更加接近線位。

(4)采用Slide軟件進行穩定性分析：西露天礦整體穩定性安全系數為1左右，安全儲備不高，存在垮塌的風險，邊坡發生潛在整體滑動的影響范圍東距線位1.6 km，和地表開裂位置及InSAR監測的F沉降區范圍比較吻合，F沉降區邊界更加接近線位。東側碳質泥巖礦露天邊坡剖面坡度相對較陡，局部沿軟弱層穩定安全系數為0.968，整體處于不穩定狀態，在降雨等外部不利因素影響下容易發生整體性滑動或崩塌，邊坡發生潛在整體滑動的影響范圍西距線位850 m(見圖8)。

圖8　中穿方案評價成果

4.2建議和措施

(1)線路方案推薦建議

綜上所述，中穿方案線路走行于兩個礦區的中間地帶，兩側采礦活動活躍，露天及地下并存，但中間存在寬度約600 m的安全寬度線路可通行。

因此推薦中穿方案。

(2)綜合措施建議

隨著線路兩側煤礦的接續開采會造成變形影響范圍逐漸擴展，因此未來中穿方案存在安全隱患，需采取以下措施。

監測措施：

對線路兩側由于露天開采引起的邊坡變形、地面裂縫和地下開采引起的地表移動進行長期變形監測，實時掌握地表變形發展趨勢，確保采礦巖移及地表變形開裂不危及線路安全。

地表變形防治措施：

對線路兩側安全范圍內露天礦開采及時劃定禁采范圍，必要時進行閉坑停采。對影響線路安全的露天礦邊坡采取抗滑樁及地裂縫注漿等方法進行治理。

工程措施：

方案線路盡量以路基形式通過，適當加寬路基，并采用滿鋪高強度土工格柵或樁筏結構路基本體進行加固。

參考文獻

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收稿日期：2016-03-01

作者簡介：武濤(1982—)，男，2009年畢業于中國地質大學巖土工程專業，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0046-05

中圖分類號：U212.32； P642

文獻標識碼：A

Research on the Geological Selection of one Railway in goaf

WU Tao