高速鐵路大面積密集煤礦采空區工程地質勘察及評價*

王亞威

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來，我國鐵路事業取得快速發展，路網覆蓋范圍廣、密度大，另一方面我國礦產資源豐富，開采歷史悠久，遺留大量采空區，鐵路建設過程中，不可避免地會穿越采空區。寧杭客專、合福高鐵、寧安城際、滬昆客專、太焦鐵路等多條鐵路工程都遇到不同程度的采空區問題[1-4]。

許多學者進行相關研究，李國和等[5]總結采空區鐵路勘察選線設計的基本流程和方法，提出采空區鐵路選線安全距離計算方法和相關參數選取標準。韓會勛[6]采用資料搜集、調查、鉆探、孔內電視成像相結合的勘察方法，查明采空區平面、空間分布形態及殘余移動變形的時空規律。姚成志、孫林[7-8]通過地質測繪調查、物探結合鉆探，查明某小型采空區的分布范圍及其對工程的影響。李志華[9]對采空區綜合物探方法進行系統討論和總結，提出鐵路采空區綜合物探工作模式。王旭[10]總結小煤窯采空區的穩定性評價標準及處理措施。

高速鐵路對線下工程變形要求極高，必須詳細查明地下采空區的情況，評價穩定性及其對鐵路工程的影響，以便保證鐵路工程安全。本文以某高速鐵路通過大面積密集煤礦采空區為案例，通過采用資料搜集及調查分析、物理勘探和深孔鉆探相結合的綜合勘察方法，查明線路附近各煤礦采空區的分布情況，分析評價采空區對鐵路工程的影響。

1 工程概況

寧國市汪溪港口一帶煤礦富集，某高速鐵路DK87+800—DK93+400段從汪溪鎮、港口鎮煤礦采空區之間穿越，如圖 1所示。線路左側分布有兆坤煤礦、勝利煤礦、發水煤礦，右側分布有港口一礦、烏石礦業、趙村煤礦、金山煤礦和民國時期私采小煤窯等，煤礦數量多，開采規模不一，給勘察設計工作帶來挑戰。

圖1 礦區分布示意

2 采空區工程地質條件

測區屬水陽江沖積階地，局部為剝蝕殘丘，地面標高35.000～100.000m。地層巖性主要為三迭系下統殷坑組(T1y)灰巖夾泥薄層灰巖、炭質灰巖，二迭系上統大隆組(P2d)炭質頁巖、炭質灰巖，二迭系上統龍潭組(P2l)炭質頁巖、砂巖、泥巖。煤層位于二迭系龍潭組煤系中部的炭質頁巖、砂巖中。該區域含煤3層，由下而上為A，B，C層，僅C煤層可采，厚度0.61～2.03m，煤質屬高灰、高硫，低磷，為肥氣煤。煤層走向北東—西南30°左右，傾向北西。煤層傾角30°～50°。井田多為單斜構造，區內構造以斜交斷層為主，層間滑動尤為突出。

3 采空區工程地質勘察

3.1 資料搜集、調查及分析

采空區資料搜集和調查走訪工作是開展采空區綜合勘察工作的基礎，也是最關鍵的一步，直接影響后續物探、鉆探工作的開展。本項目勘察期間，組織大量人力物力，通過各種方式，盡可能收集齊全各礦區開采的相關圖紙報告，并走訪多位礦區負責人和老礦工。現場核查礦區井口位置，并調查區域內巖性、產狀及地面塌陷情況。通過相互驗證礦區拐點坐標、采掘工程平面圖及現場調查礦井口等標志性位置，確保資料可靠性，初步查明各煤礦采空區分布范圍和開采情況。

發水煤礦位于線路DK89+800—DK91+000左側約640m處，根據收集到的井上井下對照圖、采掘工程平面圖和調查走訪得知，該礦始建于1999年，設計生產能力為3萬t/年，2003年投入生產，2006年因漏水嚴重而閉礦。主要沿南西27°和北東45°，通過斜井運輸巷和回風巷進行斜井開采，最大采深標高約-250.000m。調查發現，礦區頂部農田曾發生過塌陷，附近村民房屋有開裂現象。

勝利煤礦位于DK89+000—DK89+800左側約810m處，根據收集到的部分采掘工程平面圖和調查走訪得知，該井田走向長2.5km，傾斜寬0.5km，面積約1.25km2，可采儲量149.1萬t。1970年6月動工興建，采用走向短壁，區內后退式，回采工作面人工風鎬落煤，溜槽自溜式運輸，平巷人力推車，煤層平均厚度1.2m，傾向北西60°，傾角約40°，最大采深標高約-450.000m，于2005年關閉。

兆坤煤礦位于線路DK87+800—DK88+200左側約1 200m處，根據采掘工程平面圖和調查資料，采礦時間為2009年7月—2012年7月，采空區主要分東、西區域。東側區域采深標高-200.000～-100.000m，開采范圍較小，南北向長約200m，東西向長約180m。西側開采范圍較大，采深標高-450.000～-300.000m。由于礦區距離線位較遠，且中間有水陽江相隔，該煤礦采空區對鐵路工程無影響。

港口一礦位于線路DK91+300—DK93+400右側港口鎮，煤層平均厚度1.39m，傾角約西偏北30°，最早于1974年開礦，于2001年關閉停采。根據井上井下對照圖和調查資料，港口一礦主要向遠離線位的北西向開采，西側最大采深約500m，距離線位1 770m，東側采區距線位最近處約970m，開采深度僅150m。根據搜集資料和調查情況，結合煤層產狀，由于采空區距離線位較遠，且向遠離線位的西側開采，可判斷采空區對鐵路工程無影響。

烏石煤礦位于線路DK91+200—DK91+800右側約950m處，臨近港口一礦，開采時間為2009年4月—2012年4月，煤礦最大采深標高約-250.000m，與港口一礦類似，遠離線路方向開采，采空區對鐵路工程無影響。

現場調查發現，民國時期，港口一礦附近淺部煤層存在私人小規模開采現象，由于年代久遠，且無檔案資料，未能收集到相關圖紙報告。詳細調查走訪得知，私采小煤窯集中在DK92+900—DK93+200右側，距線路最近處約820m，采深≤100m，多為巷道式開采，巷道狹窄，寬1～2m。結合附近礦區煤層傾向，推斷可能的煤層分布范圍及深度，與走訪結果基本一致，判斷私采小煤窯對鐵路工程無影響。

本線附近其他采空區，如金山礦業、灰山趙村煤礦等，根據收集到的礦區資料和現場調查，采空區距線路較遠，均>1 500m，開采深度<500m，且向遠離線路方向開采，采空區對線路方案無影響。

通過分析各礦區資料可知，線路附近礦區以水陽江分割，煤層產狀及厚度相差不大，左側礦區采煤向西開采，離線路越近越深。發水煤礦從搜集資料來看，礦區邊界距離線路最近，且不排除超采、越線開采的可能，需要進一步核實開采邊界和開采深度。勝利煤礦開采深度大，且向線路方向開采，但僅收集到礦區拐點坐標和部分礦區西北側采掘平面圖，對線路工程影響較大的西南側礦區資料缺失，需采取物探和深孔鉆探進一步查明采空區邊界。

線路右側煤礦采空區中，一方面開采方向遠離線路方向，另外，開采邊界距線位相對較遠，對鐵路工程影響不大，下一步將針對勝利煤礦和發水煤礦開展物探和鉆探工作。

3.2 物理勘探

為進一步核查勝利煤礦和發水煤礦采空區范圍和收集資料的可靠性，并核實是否存在越界開采情況，結合現場調查情況，采用高頻大地電磁測深法EH-4對采空區進行物理勘探。根據采空區位置和礦區煤層產狀，在線路左側依次間隔一定距離布置6條縱測線和6條橫測線，共長11km。測線布置如圖 2所示。

物探解譯成果表明，勝利煤礦范圍內，平行于線路的6條EH-4測線均無異常，表明在測線范圍內無采空區。垂直于線路的3條EH-4測線均有異常，與收集到的礦區邊界基本吻合，與煤層深度略有差異。發水煤礦范圍內，平行于線路的1號測線無異常。2～6號測線在DK89+950—DK90+345段存在低阻凹陷區，與收集到的采空區邊界資料、煤層資料和后期鉆探資料完全不符，判斷該區域受上方高壓線影響嚴重，為工頻干擾區；垂直于線路的3條測線在-250.000～-50.000m均有異常，與收集到的礦區邊界基本吻合，與煤層深度有部分差異。

3.3 深孔鉆探

為進一步確定對線路影響較大的勝利煤礦和發水煤礦采空區邊界、開采深度，在分析收集和調查資料及物探成果基礎上，共布置6個深孔進行鉆探。布置原則如下：根據收集到的部分西北側采掘工程平面圖，勝利煤礦結合煤層走向和傾角，推測礦權范圍內靠線路側，其余采空區位置及礦區外可能的煤層埋深，據此布置鉆孔位置，確定設計孔深，在采空區內部、開采邊界內外側各布置1個鉆孔。發水煤礦在采空區內部布置1個鉆孔，驗證礦區資料準確性，在礦區邊界外靠線路側布置2個鉆孔，核查是否越界開采。

Jz-采空深1號鉆孔鉆至-562.060m，根據資料分析，假如此處有煤層，煤層標高應該在-550.000～-500.000m。鉆進過程平穩，巖芯連續完整，未揭示采空區，也未鉆到煤層，說明此鉆孔在礦區邊界外。Jz-采空深2號鉆孔揭示采空區位置標高為-403.760～-396.460m，如圖3所示，空洞無充填物，漏水嚴重，礦區頂部10m范圍內，巖芯較破碎，其上巖體完整，采空區位置與根據部分采掘工程平面圖推測的礦區開采深度基本一致。Jz-采空深3鉆孔揭示采空區位置標高為-323.580～-315.180m，如圖 4所示，其中-315.480～-315.180m為采空區頂部支撐枕木，-315.980～-315.480m為空洞、掉鉆，-323.980～-315.580m處充填物為砂巖、泥巖、局部夾少量水泥砂漿，鉆進過程漏水嚴重。鉆探揭示的采空區位置與根據產狀推測的煤層位置及采深等高線和物探成果吻合。

圖3 鉆孔2揭示的采空區空洞

圖4 鉆孔3揭示的采空區及頂部支撐枕木

根據7號測線物探、鉆探成果，結合煤層產狀、已知采空區邊界及調查資料綜合分析，推斷勝利煤礦采空區邊界位于Jz-采空深1號與Jz-采空深2號孔之間，從已知礦區邊界順煤層走向延長，煤層向線路方向逐漸尖滅，推測采空區邊界標高為-465.000m，如圖5所示。

圖5 勝利煤礦采空區

發水煤礦Jz-采空深6號鉆孔揭示煤層位置標高為-205.450～-202.250m，但沒有鉆到采空區，煤層位置與收集到的發水礦業采掘工程平面圖中的煤層底板等高線標高一致，與物探成果吻合，推測此處為煤礦保護煤柱。對于Jz-采空深4，5號孔，根據煤層產狀推測，如果5號孔下有煤層，應該在-350.000m附近，如果4號孔下有煤層，應該在-450.000m附近，而5號孔鉆至-451.350m，4號孔鉆至-549.660m均未鉆到煤層與采空區，且巖芯連續完整，說明發水煤礦采空區邊界在Jz-采空深5,6號鉆孔之間，煤層由鉆孔6向鉆孔5方向逐漸尖滅，如圖6所示，與收集的井上井下對照圖等資料一致。

圖6 發水煤礦采空區

4 采空區安全距離

4.1 計算方法及參數選取

煤礦大面積開采后，會形成移動盆地，自采空區邊界至地表塌陷變形邊界間的水平投影距離稱為影響帶寬度。在鐵路選線設計中，影響帶寬度一般以巖移角進行估算，并增設一定寬度的圍護帶，圍護帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離，計算公式如下：

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

(1)

式中：L為圍護帶寬度(m)；H1為松散層厚度(m)；H2為頂板基巖厚度(m)；φ為松散層坍塌擴散角(°)；δ為巖體坍塌擴散角或巖移角(°)，根據礦層走向與線位關系，可采用走向巖移角、傾向巖移角和斜向巖移角。

在相關規范、手冊中，最常用的巖移角量有破壞角、移動角和邊界角，分別對應移動盆地的均勻下沉區、移動區和輕微變形區。邊界角對應移動盆地的最外邊界，一般是以地表下沉值10mm為標準劃分的，而移動角和破裂角對應變形限值大[10]。高速鐵路對線下工程沉降變形要求高，無砟軌道路基工后沉降宜≤15mm，過渡段處差異沉降應≤5mm，橋梁墩臺基礎工后沉降限值為20～30mm，在上述3個移動角中只有邊界角能滿足高速鐵路對沉降要求，因此，采用邊界角計算高速鐵路附近采空區的安全距離。

邊界角參考《鐵路工程地質手冊》，通過移動角進行計算：

走向邊界角δ0=δ-15°

(2)

上山方向邊界角γ0=γ-15°

(3)

下山方向邊界角β0=β-15°(1-0.01α)

(4)

式中：δ，γ，β分別為走向、上下方向、下山方向移動角；α為礦層傾角。

當煤層走向與線位斜交時，需要采用斜交方向移動角帶入式(2)，(4)中計算相應邊界角，斜交移動角計算如下：

(5)

(6)

式中：θ為線路走向與礦層走向夾角。

根據我國某些煤礦移動盆地有關數值表，結合收集的礦區資料，參考《鐵路工程地質手冊》，采用類比法取值。走向移動角δ取72.5°、上山方向移動角γ取70°、下山方向移動角β取53°。另外，本場區松散層一般厚10～30m，靠近線路處為水陽江沖積層，多為粗圓礫土，松散層坍塌擴散角φ取45°。

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》，圍護帶寬度應根據受護對象的保護等級確定，如表1所示。

表1 鐵路各保護等級的圍護帶寬度

高速鐵路的保護等級為特級，圍護帶寬度取50m。

4.2 計算斷面

通過詳細的資料搜集和調查工作，輔以物探和深孔鉆探驗證，查明對線路工程影響較大的勝利煤礦和發水煤礦采空區的范圍及開采深度。根據各礦區平面位置及采深，選取勝利煤礦采深最大且距離線位最近的礦區邊界A點、發水煤礦采深最大礦區邊界B點和距離線位最近的C點，將礦區邊界作為采空區邊界進行計算，計算結果如表 2所示。

表2 采空區安全距離計算

由表2可以看出，線位距勝利煤礦和發水煤礦采空區邊界的平面距離均大于計算得到的安全距離，其中最不利的是勝利煤礦邊界A點，距線位平面距離810m，采空區最大埋深-465.000m，安全距離為536m，采空區影響邊界距離線位尚有274m的距離，故本線繞避煤礦采空區影響范圍。

5 結語

1)采空區資料的搜集和調查走訪工作是基礎，也是最關鍵的，直接影響物探和鉆探工作的開展，外業勘察期間一定要通過各種方式，盡可能齊全地收集礦區開采的相關圖件報告，并加強走訪調查工作，確保資料可靠性。

2)在收集調查資料的基礎上，根據開采規模、煤層產狀及礦區與線路的相對關系，對各煤礦采空區對線路方案的影響進行初步分析判斷。針對重點煤礦采空區，輔以必要的物探、深孔鉆探及計算分析，詳細查明采空區的開采范圍及影響邊界。

3)大面積煤礦采空區的安全距離應根據線路走向與礦層關系，采用相應移動角進行計算，高速鐵路由于對沉降變形控制嚴格，需采用邊界角進行計算，并根據鐵路等級增設一定圍護帶寬度。

高速鐵路對沉降及穩定性的要求非常嚴格，通過以上綜合分析與評價，本線繞避汪溪港口一帶煤礦密集煤礦采空區的影響范圍，但為確保工程安全，施工及運營過程中尚應加強對臨近采空區工程的安全監測和變形觀測。