古城煤礦超深采空區對魯南高鐵安全影響評價

孫凱強

摘要 為了研究古城煤礦超深采空區（1 200 m）對魯南高鐵的影響，通過充分調查收集古城煤礦地區地質資料、礦井設計資料、生產布局、開采現狀、后期開采計劃以及周邊煤礦的開采情況，采用綜合物探、地表監測、INSAR數據解譯等手段驗證采空區范圍，并結合理論計算，現場沉降觀測和概率積分法變形預測，分析研究古城煤礦3107工作面采空區對魯南高鐵產生的影響，為合理工程措施的提出和古城煤礦高鐵煤柱留設參數建議提供了依據，確保高鐵施工及運營安全。

關鍵詞 魯南高鐵;超深煤礦采空區;綜合勘察;安全評價;概率積分法

中圖分類號 P642.26 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0172-05

0 引言

目前國內外采空區勘探主要考慮工程以及地災整治需求，其勘探深度一般都200 m以內，極少數情況下達到500 m，對于埋深超過1 000 m的鐵路工程超深層煤礦采空區勘察，國內外鮮見應用案例。古城煤礦由于基巖厚度近千米，開采深度極大，深厚比遠大于30的條件下，地表移動變形在空間和時間上都具有明顯的連續性，采空區坍塌引發的裂隙帶、彎曲線變形尺度極小，因此無法通間接過對淺部的彎曲帶進行勘探識別采空區，這極大限制了地球物理勘探方法選擇，工程勘察領域淺層地球物理勘探方法如地震映像、探地雷達、高密度電阻率法、瞬變電磁法、微重力等均無法達到勘探目的;大地電磁法等天然場電磁法抗干擾能力差，通過在測區內進行AMT和MT采集試驗，由于工頻干擾以及基巖低電阻率的客觀條件，也無法達到勘探目的[1-2]。

基于隨機介質理論的概率積分法是我國開采沉陷預測的主要方法，也是“規程”規定的開采沉陷預測方法之一[3]。在開采沉陷的多種預計方法中，概率積分法以其理論基礎堅實、計算形式簡單、公式便于推導、計算速度較快等諸多特點而成為對開采沉陷進行精確預計的主要方法[4-6]。針對該方法，國內外許多學者進行了大量研究[7-9]。

目前，獲得概率積分法參數主要通過在工作面上方建立地表移動觀測站，采用觀測站數據通過數據擬合的方法獲得該工作面的概率積分法參數，以指導鄰近工作面或者相似地質采礦條件的開采沉陷預測[10-11]。實測方法所獲得的參數較為準確可靠。各主要礦區建立了眾多地表移動觀測站，獲得了大量觀測資料，為獲取本地區的地表移動計算參數奠定了堅實的基礎。

該文利用概率積分法，對某礦區工作面開采后地表變形規律進行預計，為開采工作提供理論基礎。

1 概況

1.1 工程概況

魯南高鐵位于山東省西南部經濟隆起帶的臨、棗、濟、菏發展軸[12]，是位于山東省南部地區的快速鐵路客運通道，其中曲阜至菏澤段線路正線全長160.750 km，設計時速350 km/h，線路通過兗州市東郊附近大范圍分布煤礦采空區，其中距離線路近、影響大的是古城煤礦超深采空區。

1.2 地質條件

古城煤礦主要開采二疊系山西組下部3煤，均厚約8.6 m。上覆基巖厚約1 000 m，多為中硬巖，斷裂構造發育，褶曲不發育，地層緩傾，傾向多變，基巖裂隙水（偶含巖溶水）不發育，與上部第四系水力聯系較弱?；鶐r之上覆第四系地層厚約170 m，主要為沖洪積粘土和粉細砂，工程性質較差;上部含潛水，中、下部為兩層“承壓水”。

1.3 古城煤礦概況

古城煤礦于2001年1月投產，設計生產能力90萬t/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，一水平標高為?505 m，二水平標高為?850 m，三水平標高為?1 030 m，采用綜采放頂煤方法開采3煤層。

根據收集的古城煤礦3煤層采掘工程平面圖，目前主采區工作面與魯南高鐵的相對位置關系如圖1所示。

古城煤礦3107工作面位于魯南高鐵菏曲段DK277+900～DK278+530右920～1 300 m。3107工作面標高?1 080～?1 165 m，煤層厚度8.6 m，煤層傾向東南，傾角約7°。3107工作面邊界距離線路中心約920 m。3107工作面地面位置位于基本農田，地面標高約55 m。

2 采空區綜合勘察

2.1 資料搜集

調查收集古城煤礦地質資料，包括地層巖性、地質構造、地下水含水組（層）等背景資料，以及古城煤礦礦井設計資料、生產布局、巷道分布、開采現狀、后期開采計劃以及周邊煤礦的開采情況。

2.2 地球物理勘探

2.2.1 大噸位可控源寬線地震反射波法

根據勘探目的任務，結合地形、地貌、村莊平面情況以及收集的采區資料，寬線地震反射勘探布置原則上保證覆蓋古城煤礦3107采掘面查明采空區邊界，同時兼顧探明界線以南近魯南高鐵路一側是否還存在其他的采空區、構造及其發育情況，寬線地震反射共布設反射采集測線10條，典型成果如圖2所示。

2.2.2 可控源大地電磁法（CSAMT）

根據該次勘探目的任務，結合收集開采資料，原則上保證覆蓋古城煤礦3107采掘面，同時兼顧探明界線以南近魯南高鐵路一側是否還存在其他的采空區、構造，可控源大地電磁（CSAMT）分別布置測線六條，典型成果如圖3所示。

2.3 地表調查

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了調查。通過調查發現，現場地表變形以沉降變形為主，采空區中心位于基本農田內，未見塌陷坑，不影響小麥與玉米的種植。小沂河未發生斷流現象。根據現場在距離3209工作面南側200～500 m水平投影范圍內的楊莊村房屋及小路裂縫的調查情況，對差異沉降十分敏感的砌體結構、條形基礎民用建筑，局部建筑房屋存在張開裂縫（紋），裂縫寬2～5 mm。

2.4 INSAR數據解譯

（1）2017—2020年InSAR解譯采空區變形趨勢特征（2020年地面沉降等值線圖如圖4所示）表明，InSAR變形中心區位于3107工作面偏北側、3209西側，3107與3209采空區引起的地面變形已于2019年初穩沉，2020年的InSAR解譯成果已無變形發展。在3107及3209采區的南側及東側未見其他采空的變形影響，無其他采空區。

（2）InSAR分多期解譯成果，與礦區開采歷程、采空區平面分布形態及典型點地表監測、地表調查之間可相互印證。“時—空”形變具有較好的對應性。

2.5 綜合分析

3107工作面竣工資料顯示的工作面邊界距線路920 m，物探揭示煤層及異常區距線路900～920 m;3209工作面邊界距線路835 m，物探揭示煤層及異常區距線路830～835 m;InSAR解譯中心沉降區位于距離線路約1 000 m，2018年底的InSAR解譯的影響范圍及形態，以及物探的解譯范圍與3107及3209工作面較為吻合，地面調查房屋裂縫、裂紋（線路位于Ⅰ級損壞區影響邊界外420 m）與上述位置也有較好的對應性。

綜上所述，采用以上四種方法獲取的兩個采空區的邊界具有較好的一致性和符合性，用于評價其對高鐵的影響是可靠的。綜合前期煤田勘察成果，兩采區采深1 200 m左右。第四系地層厚150～170 m，煤層采厚主要為8.6 m左右。3107工作面邊界距線路距離為920 m，3209工作面邊界距線路距離為835 m。

3 采空區影響范圍內地面沉降分析與預測

3.1 地表沉降觀測資料分析評價

魯南高鐵施工前及施工過程中，在沿線路兩側按一定間距設置了一批沉降觀測點。2019—2020年，現場對DK276+125～DK280+500段的CPⅠ、CPⅡ點進行了3次高程測量，根據測量數據繪制折線圖如圖5。

從2019—2020年的沉降變形曲線反映：

（1）CPⅠ點及CPⅡ點變形趨勢基本一致，2019—2020年4月沉降量增加;2020年4—7月變形比較平穩;2020年8月監測點普遍出現少量反彈。

（2）此段范圍內沉降量整體比較穩定，沉降量處于11.5～23.2 mm之間，年沉降速率8.6～11.7 mm/a。

綜上所述，線路兩側的CPⅠ與CPⅡ點實測變形數據表明，DK275～DK283此段線路兩側的各CPⅠ點、CPⅡ點地表沉降變形趨勢基本一致。

3.2 概率積分法沉降變形預測計算

3.2.1 邊界角取值分析與論證

通過采用實測取值法、規范取值法、工程類比法及概率積分反演分析法，多種方法獲得的邊界角見表1。

該次研究邊界角選取是在分析實測法、規范法、工程類比法的基礎上，結合業已納入規范并在該礦成功應用多年，積累了豐富經驗的“概率積分反演分析”結果，綜合考慮采空區的采深、采厚、煤層產狀，覆巖厚度、強度及完整性等因素，選取3107采空區巖移邊界角巖層60°、土層45°。

3.2.2 計算參數選取

古城煤礦煤層埋藏深度較深，埋藏深度1 100～1 200 m。上覆巖層中，松散層厚度較大，平均厚度170 m?；鶐r段巖性以中砂巖、細砂巖為主，夾有部分泥巖和頁巖段。覆巖總體可評價為中硬偏軟的巖層結構。

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》GB 51044—2014[3]與“三下”規程[13]中經驗參數，考慮到3107工作面煤柱的穩定性、采區積水情況等，結合礦區工作面經驗參數及規范中經驗參數范圍，對規范中巖移參數參考值進行適當調整，使預計的影響范圍更合理。經綜合分析確定，評估地表移動預計參數選取如表2所示。

3.2.3 計算結果分析

根據計算結果繪制3107工作面開采后地表下沉等值線圖、水平移動等值線圖、傾斜變形等值線圖、曲率變形等值線圖和水平變形等值線圖，如圖6～10所示。地表預計最大下沉值880 mm。

《建筑物、鐵路、水體及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規范》也規定，以下沉值為10 mm的點作為邊界點。工作面開采后影響范圍如表3所示。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）通過對采掘竣工資料、現場調查資料、兩種深源物探探測成果，以及InSAR解譯成果等綜合分析，四種方法獲取的3107采空區邊界具有較好的一致性、符合性。3107采空區邊界距線路最近距離為920 m。

（2）在調研分析已有研究應用成果基礎上，采用實測法、規范法、工程類比法、概率積分反演法等綜合分析方法，并結合采空區的采深、采厚、煤層產狀;覆巖厚度、強度及完整性等因素，選取3107采空區巖移邊界角巖層60°、土層45°。

（3）概率積分法計算結果表明，預測最大地表沉降880 mm。移動盆地邊界（下沉值10 mm）距魯南高速鐵路圍護帶最近距離212 m，圍護帶無沉降變形值。

4.2 建議

（1）煤礦方應嚴格按照備案壓覆禁采范圍，留設高鐵安全保護煤柱。在3107工作面附近進行開采時，應合理留設保護煤柱，確保相鄰附近工作面開采不會導致3107工作面采空區活化，引起3107工作面的二次變形、塌陷。

（2）施工期間及運營期間應重點監測古城煤礦采空區地表變形的影響，建議于DK276+350～DK279+500段右側布置地表變形觀測線。

參考文獻

[1]朱衛平， 劉詩華， 朱宏偉， 等. 常用地球物理方法勘探深度研究[J]. 地球物理學進展， 2017（6）： 2608-2618.

[2]王鶴宇. 采空區地球物理勘探技術方法[J]. 物探與化探， 2012（S1）： 34-39.

[3]煤礦采空區巖土工程勘察規范：GB 51044-2014（2017年局部修訂）[S]. 北京：中國計劃出版社， 2014.

[4] 陳雨， 張振文， 張彥敏. 基于概率積分法的地面沉陷災害預測[J]. 遼寧工程技術大學學報， 2007（s2）： 143-145.

[5] FAN H D， GU W， QIN Y， et al. A model for extracting large defor mation mining subsidence using D-InSAR technique and probability integral method [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014（4）： 1242-1247.

[6]王磊， 郭廣禮， 王明柱， 等. 山區地表移動預計修正模型及其參數求取方法[J]. 煤炭學報， 2014（6）： 1070-1076.

[7]何國清， 楊倫， 凌賡， 等. 礦山開采沉陷學[M]. 徐州：中國礦業大學出版社， 1994.

[8]王晉林， 高良. 巨厚松散層下重復開采地表沉降規律研究[J]. 煤礦開采， 2007（2）： 67-69.

[9]葛家新. 地表沉陷預計參數求取及其分析[J]. 礦山壓力與頂板管理， 2004（1）： 78-79+82.

[10]孫慶先， 胡振琪. 中國礦業的環境影響及可持續發展[J]. 中國礦業， 2003（7）： 23-26.

[11]王鑫， 張志龍. 礦業城市地下水抽排的生態環境影響模型研究[J]. 煤炭經濟研究， 2007（6）： 32-33+36.

[12]岳建剛. 魯南高鐵沿線地面沉降現狀及原因分析[J]. 鐵道勘察， 2020（2）： 60-65.

[13]國家安全監管總局、國家煤礦安監局、國家能源局、國家鐵路局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程：2017年5月[S]. 北京：煤炭工業出版社， 2017.