某高速鐵路煤礦采空區綜合勘察及穩定性評價

梁凱夏

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

0 引 言

隨著我國經濟快速發展，我國鐵路交通已邁入高鐵時代。在鐵路勘察設計過程中，線路與各類采空區往往狹路相逢，其中以煤礦采空區較為常見。由于高速鐵路對安全及穩定性有著很高的要求，對復雜的采空區必須摸清工程地質條件，評價其穩定性和對線路的影響，從而保證工程的安全穩定。

一些大型采空區由于年代久遠，受地質構造影響，其水文地質和工程地質條件復雜多變，如處置不當，引起的地面塌陷和不均勻沉降對附近鐵路等建筑物會造成惡劣影響，導致巨大損失。根據已有工程經驗，結合前人研究成果，利用現有勘察技術手段，基本可以查清鐵路采空區的邊界和移動盆地影響帶邊界，通過地質選線合理繞避采空區，從而降低工程風險，確保施工和運營安全。

1 工程概況

某新建時速350 km鐵路在里程DK87+800—DK93+400受前后控制點因素限制，必須從煤礦采空區之間穿越。為了評價煤礦開采活動可能給鐵路造成的安全影響，在分析利用既有資料的基礎上，通過充分調查收集礦區資料，采用物探、深孔鉆探等手段驗證采空區范圍，并結合理論計算，分析評價各煤礦采空區的影響范圍，為鐵路地質選線提供基礎資料，確保線路安全通過礦區。

2 采空區地質環境

2.1 地形地貌

礦區屬水陽江沖積階地，局部為剝蝕殘丘地貌。沖積階地區地勢較平坦開闊，緊鄰水陽江，多被辟為農田村莊，交通便利；剝蝕丘陵區地勢起伏，植被茂密，地形坡度為15°～20°。

2.2 地層巖性

場區主要含煤地層為以下兩層。

2.2.1 石炭系下統高驪山組(C1g)

該套地層分布于礦區南部、東部。下部為雜色粉砂巖、粉砂質頁巖、黑色頁巖夾少量薄層細砂巖，頁巖中夾80 cm厚的煤層，總厚度約8 m；上部為紫紅色、黃色、灰色薄至中厚層細粒石英砂巖、粉砂質泥巖夾粉砂質頁巖、頁巖。

2.2.2 二疊系上統龍潭組(P2l)

該套地層在場區廣泛分布，為重要的含煤巖系。上部主要為灰黑色薄層頁巖、粉砂質頁巖，夾少量泥巖、細礫巖及A、B、C三層煤，A煤層較薄，呈雞窩狀，B煤層厚約0.5 m，C煤層厚0.75～2.14 m，平均厚1.2～1.5 m，為本礦區開采煤層。本套地層總厚度約50 m。

2.3 地質構造

場區位于淮陽山字形構造的東翼反射弧和東南沿海新華夏系交接處，宣城斷陷盆地南側，水東向斜東南翼。受華夏系構造所控制，區域構造呈北東-南西向延展，斷層發育，以斜交斷層為主。龍潭組(P2l)頁巖夾煤層被各斷層切割為多個獨立單元，且受褶皺影響，產狀多變，走向大致為南北向，傾向線路右側，產狀一般為25°～50°。

2.4 水文特征

場區地下水類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水等。孔隙潛水主要賦存于第四系沖洪積土層及殘坡積土層中，主要由大氣降水補給，水位受季節變化影響顯著。基巖裂隙水儲存于基巖風化帶，其分布受裂隙發育程度及裂隙連通程度控制，該區域由于采礦過程中采用風鉆鑿巖、電煤鉆打眼、電雷管爆破方式，使上層基巖破碎，裂隙發育，裂隙滲水嚴重。構造裂隙水儲存于斷層破碎帶和節理裂隙中，富水程度差異較大。

3 采空區工程地質勘察

3.1 調查收集資料

對于采空區的勘察，首先要充分收集既有資料，通過研究區域地質資料，礦區地質勘察報告、煤礦井上井下對照圖等，結合現場調查走訪，初步判定采空區范圍和重點研究方向。本項目中，對線路有影響的主要是勝利煤礦、發水煤礦、烏石礦業、港口一礦這四處，其他礦區邊界距離線路中心遠大于1 000 m，對鐵路工程無影響，如圖1所示。

圖1 線路與采空區平面關系示意圖

各礦區的開采方式和開采深度見表1。

表1 采空區煤層開采參數

3.2 物理勘探

個別礦區由于年代較久，需結合地質勘察進一步確定采空區范圍，如圖2所示。采用大地電磁法(EH4)在勝利煤礦和發水煤礦靠近線路一側分別布置了3條垂直測線和6條貫通的平行測線，長度共19.75 km。物探成果顯示勝利煤礦平行于線路的6條測線均無異常，垂直線路的3條測線均有異常，與收集到的礦區邊界基本吻合。發水煤礦平行于線路的1號測線無異常，2～6號測線在DK90+025—140段左側235～285 m有異常反應，與收集采空區邊界資料、煤層資料、鉆探資料完全不符，推測該區域為山坡，受高壓線干擾所致；垂直于線路的3條測線均有異常反應，與收集到的礦區邊界基本吻合。

圖2 綜合勘察采空區范圍示意圖

3.3 深孔勘探

根據物探成果，在勝利煤礦7號測線物探異常區布置3個深孔進行驗證。鉆探結果顯示：2號深孔于430.1～444.4 m(標高-389.46 m～-403.76 m)范圍內揭示空洞或類似垮塌堆積物；3號深孔于361.6～370.0 m(標高：-315.18～-323.58 m)范圍內揭示垮塌堆積物，其中361.6～361.9 m為采空區頂板支撐枕木碎塊；1號深孔未揭示煤層與采空區。

在發水煤礦12號測線物探異常區布置4個深孔進行驗證。鉆探結果顯示：6號深孔于242.6～245.4 m(標高-282.75～-285.55 m)范圍內揭示含煤地層，但未揭示采空，推斷此處為保護煤柱；4號深孔于319.2～339.7 m(標高-265.82～-286.32 m)范圍揭示空洞，底部為少量軟塑狀黏性土，推測為煤礦斜井；5號、7號兩處深孔未揭示煤層與采空區。

3.4 綜合勘察成果分析

根據7號測線物探、深孔鉆探成果，結合煤層產狀、已知采空區邊界及調查走訪資料，推斷勝利煤礦采空區邊界位于1、2號深孔之間，從已知邊界順煤層走向延長，采空邊界底標高為-431.2 m，煤層向線路方向逐漸尖滅，如圖3所示。

圖3 7號測線剖面示意圖

發水煤礦收集采空區邊界與物探、鉆探成果基本一致，位于6號與5號深孔之間，煤層向線路方向被斷層隔斷，如圖4所示。

圖4 12號測線剖面示意圖

4 采空區坍陷對鐵路的安全性影響分析

4.1 計算斷面的確定

根據各礦區平面位置及走向，選取代表性礦區邊界拐點A～G共7個計算斷面。

4.2 移動盆地影響寬度計算公式及參數取值

4.2.1 計算公式

根據《鐵路工程地質手冊》，結合計算斷面方位，移動盆地影響帶寬度按上山方向、下山方向分別計算，公式如下：

沿上山方向：M=H1·cotγ0+H2·cotφ；

沿下山方向：M=H1·cotβ0+H2·cotφ；

式中：M為影響帶寬度，m；H1為頂板以上基巖厚度，m；H2為松散層厚度，m；γ0為上山邊界角，(°)；β0為下山邊界角，(°)；φ為松散層邊界角，(°)。

4.2.2 邊界角取值

(1) 根據收集資料，經計算，煤層產狀α為22°～48°，按照《鐵路工程地質手冊》，計算得出下山移動角β為40～55°，綜合考慮取53°。下山邊界角經計算β0=β-15×(1-0.01α)=41.3°～46.2°。

按照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，較硬巖β0=δ0-(0.6～0.7)α，計算后綜合考慮取低值44.5°。

綜合考慮，各計算斷面取兩種算法所得的低值，巖層下山移動角β0為41.3°～44.5°。

(2) 按照《鐵路工程地質手冊》，計算得出上山邊界角γ0為55°，按照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，較硬巖γ0=55°～60°，取低值55°。綜合考慮巖層上山邊界角γ0為55°。

(3) 場區松散層一般厚10～20 m，局部覆蓋層厚度達30 m。按照《鐵路工程地質手冊》，松散層移動角φ為40°～55°，取低值45°；按照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，松散層邊界角φ為45°，綜合考慮取45°。

4.3 維護帶寬度確定及安全距離計算

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，本鐵路保護等級為Ⅰ級，圍護帶寬度可取20 m，考慮無砟軌道對沉降要求控制嚴格，根據不同工點，按用地界外擴50 m作為圍護帶范圍，經計算采空區影響帶寬度見表2。

表2 采空區影響寬度計算結果表

5 結 論

(1) 采空區地下開采情況復雜，對高速鐵路穩定性影響較大，通過調查走訪及收集資料、物探大地電磁測深、深孔勘探等手段相互印證，最終確定了采空區分布范圍、開采深度、開采方式等。

(2) 根據采空區邊界計算斷面不同類型，按照上山、下山及走向方向分別計算移動盆地影響帶寬度，并依據工點類型和用地界范圍確定圍護帶寬度，更精準地計算采空區安全距離。

(3) 根據計算結果，DK87+800—DK93+400采空區邊界距高鐵線路中心最小平面距離大于638 m，受開采深度影響，最不利的邊界點是斷面C，該點采空區邊界距線路中心最小平面距離為812 m，計算得出地表變形邊界距采空區邊界水平距離為511 m，采空區塌陷盆地邊界距鐵路圍護帶邊界為241 m，由此判斷采空區塌陷不影響高鐵的施工及運營安全。