鄰近深厚煤礦采空區對魯南高速鐵路的影響分析

穆文光 韓廣樂 高雪蓮 李 鵬 張春生

(1.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251； 2.天津石油職業技術學院，天津 301607)

采空區對高鐵安全威脅極大，也是鐵路工程技術人員關注的重點[1-5]。李國和等研究采空區勘察、鐵路采空區穩定性與評價、采空區鐵路工程設計等，提出以實測最大下沉量與計算最大下沉量來分析大型采空區地表穩定程度[6-8]；徐法奎等基于相鄰區域地表移動觀測數據，采用概率積分法計算最大下沉值、最大水平移動值等[9]。然而，采用INSAR解譯和物探等綜合勘探手段來分析采空區影響范圍及計算保護煤柱寬度的研究還相對缺乏[10]。

1 采空區分布、開采情況及地質特征分析

1.1 沿線煤礦分布特點

魯南高速鐵路曲阜至菏澤段位于山東省西南部。線路起于曲阜，向西途經兗州、濟寧、嘉祥、巨野、鄆城，而后進入菏澤。沿線煤礦分布眾多(見圖1)，煤炭儲量在高程-1 000 m以上有3 080×104t，-2 000 m以上有70 200×104t，發熱量高達2.72×104kJ/kg是全國重要的褐煤基地。

圖1 高鐵沿線濟寧地區主要煤礦分布

1.2 技術路線

按照采空區勘察、穩定性評價有關規定，分析該地區InSAR解譯數據在確定緊鄰高鐵采空區影響范圍和發展趨勢的應用效果[11]，分析可控源音頻大地電磁法[12]判定采空區空間分布的獨特優勢，各種勘探手段相互分析、比對，確定采空區分布范圍[13]。在緊鄰高鐵采空區缺乏觀測數據的情況下，對鄰近采空區開采參數、實測邊界角分析、研判，查找規律[14]，合理確定緊鄰高鐵采空區邊界角，按照鐵路下保護煤柱留設的計算公式，確定保護煤柱寬度及采空區影響范圍[15]。

線路附近的采空區主要有星村煤礦采空區、古城煤礦采空區、興隆莊煤礦采空區、楊莊煤礦采空區、何崗煤礦采空區、魯西煤礦采空區、葛亭煤礦采空區。其中對貫通方案可能產生影響的為古城煤礦采空區及楊莊煤礦采空區(見圖2)。

圖2 可能影響線路方案的主要采空區及周邊煤礦開采現狀

1.3 采空區開采情況及地質特征

古城煤礦于2001年1月投產，設計生產能力90×104t /a，設計服務年限51.9年。采用立井、暗斜井開拓，中央并列式通風，一水平高程為-505 m，二水平高程為-850 m，三水平高程為-1 030 m。全井田共分為11個采區，目前開采主要集中在南部的30、31、32采區，開采方式為條帶開采，全部采用綜采放頂煤工藝開采(見圖3)。

圖3 線路與古城煤礦采空區各工作面位置關系

由圖3可知，3107工作面距線路最近，位于大柳莊以南205 m、八里鋪東北390 m處，地面高程約55 m。地層自上而下分別為：第四系、第三系、侏羅系、二疊系、石炭系和奧陶系，含煤地層為二疊系山西組，煤層埋深1 135 m，煤層厚8.0 m。工作面上至31采區集中軌道，下至井田邊界，西南為斷層，南為未開拓區域。2017年1月份開始回采，采用保護性煤柱條帶式開采，綜采放頂煤一次采全高生產工藝。煤層傾向北東，傾角近水平。工作面下部寬118 m，回采長度509 m，上部寬度89 m，回采長度192 m。2018年3月回采結束，回采長度701 m，距離線路中心最近為919 m。

楊莊煤礦東翼采區北部在魯南高速鐵路禁采線和壓覆資源評估線之間(見圖4)。區內地層自上而下為：第四系、二疊系、石炭系、奧陶系、含煤地層為二疊系山西組，煤層埋深290 m，煤層厚8 m。楊莊煤礦與古城煤礦之間發育有近東西向的滋陽斷層，故煤層埋深差異明顯。2014～2017年，南部有3306、3307、3308、3309、3401及3405等工作面；北部為局部開采的一分層3112工作面，3112工作面采高2.2 m(為正在開采的工作面，2015年接到濟寧市政府停采通知時僅推進了66 m)。評估區西部為津浦鐵路保護煤柱，東北部為興隆莊煤礦。3112工作面邊界距離線路中心最近為260 m。

圖4 線路與楊莊東翼采區位置關系

因楊莊煤礦2015年三季度將面臨停產局面，濟寧市煤炭局多次申請開采壓覆協議范圍外(評估區)的煤炭資源(3402工作面、3403工作面和采區邊角塊段)。區內沿煤層走向(南北)總長度約380 m，沿煤層傾向(東西)長度約310 m，平均傾角5°，厚8.5 m，煤炭總儲量約140×104t。其中3402、3403面已采二分層，剩余煤層厚4.1 m。邊角塊段北部3112面剩余煤層厚6.3 m，邊角塊段其余煤層厚8.5 m。

2 采空區對魯南高鐵的影響分析

2.1 InSAR解譯成果分析

根據古城煤礦采空區分布范圍，采用RadarSat-2寬幅精細高分SAR數據進行監測，實現對研究區域全覆蓋、時間一致、監測同精度。采用常規D-InSAR和時序InSAR相結合的解譯方法，實現對采空區地面形變分析。其中，D-InSAR方法處理得到的差分干涉圖能夠直觀反映不同時段地面形變情況，定性角度確定沉陷形態；而時序InSAR分析方法則可以獲取連續時段的累計沉降量。依據InSAR監測數據繪制古城煤礦附近InSAR沉降干涉成果(見圖5)。InSAR解譯成果中，地表變形最大區域(藍色部分)與收集資料情況基本吻合(向東南方向有外擴趨勢)。

圖5 2018年InSAR沉降干涉成果

2019年7～8月，通過現場走訪、問詢，對古城煤礦3107工作面周邊的地表構筑物進行調查。根據現場調查，地表未見明顯塌陷坑，地表變形以沉降變形為主。根據距離采空區300～750 m范圍內的調查情況，水泥道路和建筑房屋出現開裂及裂縫痕跡。其中，道路和房屋裂縫最遠點距離采空區邊界約750 m，地表裂縫寬2～5 mm。

根據最新InSAR解譯數據分析，結合現場的道路路面開裂、房屋開裂調查點的分布情況，繪制采空區地表調查點分布與Insar解譯成果分析成果(見圖6)。調查的裂縫范圍與InSAR解譯的不穩定區域基本吻合，在地表裂縫出露地方，地表變形破壞明顯，屬于不穩定場地，地表裂縫出現范圍為受采空區影響的不穩定區，不穩定區范圍內地表變形受采空區自身穩定狀態影響明顯，不穩定區邊界距離采空區邊界最遠約750 m。通過InSAR解譯，線路位于不穩定區外側，采空區變形對線路影響較小。

圖6 采空區地表調查點分布與Insar解譯成果

2.2 物探測試成果分析

根據野外調查的古城煤礦采空區分布情況，布置4條物探測線，利用可控源音頻大地電磁法完成測區野外物探工作(見圖7)。

圖7 物探測試成果平面

根據可控源音頻大地電磁法測試結果，在測線1～測線4范圍內均有采空區異常顯示，物探測試成果見表1。

表1 物探測試成果

該區域煤層厚度及采空區的高程，鉆探結果與物探測試結果基本相同。采空區異常出現的高程位置和推測的平面位置，大體上與收集的開采工作面資料相匹配，在礦區東部邊界處局部有差異，測線4和測線1反映采空區異常有自開采工作面邊界往東擴展的跡象，這與InSAR解譯成果基本吻合。

2.3 保護煤柱寬度計算

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(安監總煤裝〔2017〕66號)第56條要求，路堤應以兩側路堤坡腳外1 m為界，路塹應以兩側塹頂邊緣外1 m為界，橋梁應當以基礎外邊緣外1 m為界，在兩側界線以內的范圍為受護面積，然后沿受護面積的邊界向外擴大一定距離加圍護帶。該高速鐵路保護等級為特級，因此對應的圍護帶寬度為50 m。經過古城煤礦東南區附近段路基填高約6 m，坡率1∶1.5，路基面半寬4.3 m，線間距5 m。經過計算，得出路基圍護帶邊界到線路中心的距離為63.3 m(本次統一按65 m考慮)。同時，本區煤層傾角為7°，近乎水平，本次計算按水平考慮。

考慮邊界角受多種因素(地層結構、開采方法、采厚、采深、傾角等)影響，選擇單個值進行分析，難以準確反映采空區對線路的影響，故基于既有資料進行以下分析(見表2)。

由表2可知，礦區邊界角在58°～64°之間變化，在地層結構及其他開采參數相似的情況下，開采面積減小邊界角有增大的趨勢。

表2 古城煤礦實測巖移參數

3107工作面第四系厚度約170 m。煤系地層為二疊系，煤層頂板，由細砂巖、中砂巖、粉砂巖夾砂質泥巖、泥巖組成。采用綜采放頂煤，采厚8.0 m，開采深度1 135 m，開采面積約為72 203 m2，煤層近似水平。由于3107工作面是近期開采，無地面監測數據，只能根據鄰近工作面的實測數據分析比較。從上述分析可知，礦區邊界角的平均值為60.5°，3107工作面鄰近3200工作面且開采面積較小，其地層結構及開采參數與3200工作面基本相同，綜合考慮多方因素，3107工作面邊界角取61°較為合理。

楊莊煤礦臨近煤礦實測巖移參數見表3。

由表3可知，3個工作面地表移動盆地綜合邊界角實測值在60.6°～62.8°之間，由于楊莊煤礦3112、3403、3402為近期開采，沒有完整的觀測資料，故采用偏保守的邊界角(62°)。

表3 楊莊煤礦臨近煤礦實測巖移參數

保護煤柱寬度計算見圖8及表4。

由圖8、表4可知，采空區未侵入保護煤柱邊界，鐵路處于安全狀態。

表4 保護煤柱寬度計算

圖8 保護煤柱計算示意

3 結論

(1)在古城煤礦InSAR解譯干涉成果中，地表變形最大區域與收集資料基本吻合。

(2)經過分析、比較，認為古城3107采空區邊界角采用61°，楊莊煤礦采空區邊界角采用62°合理、安全。

(3)古城3107、楊莊3112、楊莊3403、楊莊3402工作面均未侵入保護煤柱邊界，采空區對DK276+400～DK279+900鐵路無影響。

(4)采空區沉降邊界未侵入圍護帶邊界，采空區對鐵路安全無影響，但應禁止向鐵路方向繼續開采。