采空區(qū)地質(zhì)勘察及對京沈客專穩(wěn)定性影響評價(jià)

苗高建

摘 要：為了評價(jià)他拉皋煤礦采空區(qū)對京沈高鐵DK429+000～DK430+500段穩(wěn)定性影響，通過分析礦區(qū)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造，采取對采空區(qū)煤礦資料收集及調(diào)查、物理勘探、地質(zhì)鉆探驗(yàn)證等綜合勘察方法，對采空區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察并確定采空區(qū)邊界，評價(jià)線路穩(wěn)定性。同時采用鐵路保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)方法來確定安全邊界，防止地表變形影響鐵路行車安全。結(jié)果表明擬建線路位于他拉皋煤礦采空區(qū)安全圍護(hù)范圍以外165m，高鐵可從擬定線位處安全通過。

關(guān)鍵詞：采空區(qū) 穩(wěn)定性 安全邊界

中圖分類號：X14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0074-02

隨著近年來高速鐵路的快速發(fā)展和煤炭資源深部開采的增多，大量鐵路都不可避免穿越煤礦及其采空區(qū)，采空區(qū)對鐵路建設(shè)的影響越來越大[1]。采空區(qū)由于其工程地質(zhì)條件復(fù)雜對鐵路工程選線及穩(wěn)定性具有十分重要的影響，因此必須查清地下采空區(qū)的工程地質(zhì)情況[2]，評價(jià)其對鐵路工程的影響及線路穩(wěn)定性，以便鐵路安全通過。

擬建京沈鐵路DK429+000～DK430+ 500段從他拉皋煤礦北側(cè)通過，采空區(qū)位于擬建線路右側(cè)。為查明煤層及采空區(qū)的分布狀態(tài)，通過走訪、調(diào)查、收集資料等方法對他拉皋煤礦的分布、開采、埋深、儲量及采空情況有了初步了解的基礎(chǔ)上，采用人工地震反射波法和直流電法進(jìn)行采空區(qū)勘察，對煤礦采空區(qū)邊界進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，此外布置適量鉆孔以揭示地層，為物探解譯提供參數(shù)并對物探解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證。

通過綜合勘探等手段取得勘察成果分析鐵路穩(wěn)定性，選取鐵路保護(hù)煤柱的計(jì)算方法判定該采空區(qū)的安全邊界范圍并評價(jià)鐵路穩(wěn)定性，對京沈客專該段穩(wěn)定性作出評價(jià)。

1 煤礦地質(zhì)條件及采空區(qū)情況

1.1 概況

他拉皋煤礦位于擬建京沈鐵路CK429 +086～CK429+758右側(cè)350～800m，該段線路位于丘陵、剝蝕緩丘區(qū)，地形波狀起伏，緩丘與沖溝相間。線路走向及煤礦平面示意圖如圖1所示。

1.2 地層巖性

該地區(qū)含煤地層主要為古生界石炭系，其次是中生界的侏羅系下統(tǒng)北票組（J1b）。地質(zhì)測繪及鉆探揭示，采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）新黃土，下伏白堊系下統(tǒng)大凌河組（K1d）安山巖、玄武巖，侏羅系下統(tǒng)北票組（J1b）礫巖、砂巖、頁巖夾煤層，石炭系上統(tǒng)（C3）砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層，奧陶系下統(tǒng)（O1）石灰?guī)r，震旦系下統(tǒng)高于莊組（Z1g）石灰?guī)r。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

他拉皋煤礦位于中朝準(zhǔn)地臺與內(nèi)蒙地軸相交部位的朝陽北票兩個斷陷盆地的交接部位，朝陽～藥王廟斷裂帶從礦區(qū)通過，在礦區(qū)范圍內(nèi)形成一系列疊瓦式逆沖斷層，造成地層陡傾，斷層走向NE40°～60°，傾向SE10°～40°，傾角50°～80°。煤層位于單斜構(gòu)造中，由東至西漸趨陡傾，傾向300°～310°，傾角65°～85°。

1.4 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水分布于第四系松散堆積層中，一般埋深1.0～>10m，主要含水層為砂類土及碎石類土。受大量開采的影響，地下水水位有逐年下降趨勢?；鶐r裂隙水主要賦存于低山和丘陵區(qū)的基巖節(jié)理裂隙中，含水量不大，埋藏較深。該礦區(qū)附近正常涌水量25m3/h，最大涌水量47m3/h。

1.5 礦區(qū)開采情況

他拉皋煤礦于上世紀(jì)90年代末進(jìn)行開采，為他拉皋一帶較大的煤礦，斜井開采。目前該礦有斜井2口，斜井按照礦脈產(chǎn)狀布置，開采深度在100～400m范圍，局部開采深度已經(jīng)達(dá)到450m，一般分7層開采，其中2、4層為主要開采層，其他煤層局部開采，且均開采20～30m，留10m左右的安全礦柱。2009年勘測時礦區(qū)采煤作業(yè)還在進(jìn)行，主采作業(yè)面位于一號采煤區(qū)，平面距離擬建鐵路約350～500m，二號采煤區(qū)平面距離擬建線路約400m，僅向線路方向開挖了一條探煤巷道，因未發(fā)現(xiàn)可采煤層而未進(jìn)行生產(chǎn)開挖。

2 采空區(qū)工程地質(zhì)勘察

2.1 資料收集及調(diào)查

通過走訪、調(diào)查、收集區(qū)域地質(zhì)資料、礦區(qū)勘察報(bào)告、井上井下對比圖等方法已經(jīng)對煤礦的分布、開采、埋深、儲量及采空情況有了初步的了解。由于礦區(qū)大量地下開采煤層形成的采空區(qū)塌陷使得附近山體地表塌陷，大面積出現(xiàn)地裂縫。塌陷坑位于煤礦南東側(cè)的山體上，距擬建線路500～600m，塌陷區(qū)呈長橢圓形，長軸方向?yàn)镹EE～SWW向，長約400m，短軸方向?yàn)镹NW～SSE向，寬約150～200m，山體上分布多條地裂縫，裂縫寬0.5～3.0m，延伸長度近百米。

通過分析該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，擬建線路位于煤層底板一側(cè)，平面上線路與煤礦采礦區(qū)間又有傾向煤礦采礦區(qū)一側(cè)（線路右側(cè)）的逆斷層相隔，因此初步分析判定其基底穩(wěn)定，不會出現(xiàn)采空塌陷。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查擬建線路附近地表未發(fā)現(xiàn)有塌陷及裂縫產(chǎn)生，既有民房未見破壞。

2.2 物理勘探

為進(jìn)一步查明煤層及采空區(qū)的分布狀態(tài)，結(jié)合采空區(qū)分布路段內(nèi)的地質(zhì)路基及橋涵工點(diǎn)進(jìn)行了煤礦采空區(qū)的勘探工作。為了查明采空區(qū)的分布情況進(jìn)行了物探勘察，物探采用人工地震反射波法和直流電法進(jìn)行采空區(qū)勘察，對煤礦采空區(qū)邊界進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。

物探解譯圈定的采空區(qū)邊界與現(xiàn)場調(diào)查到的煤礦開采情況有較大差別，物探解譯在礦區(qū)南西側(cè)，采空區(qū)邊界范圍小于礦方提供的正在開采的一號采煤區(qū)的范圍，因此本資料采用收集到的礦方提供的開采范圍作為采空邊界線；而礦區(qū)北東側(cè)，礦方提供的采掘圖未見開采巷道，但物探解譯開采邊界卻突破礦界，并有較大范圍的延伸，物探圈定煤礦采空區(qū)平面示意圖見圖2所示。鑒于物探解譯的多解性及小礦采掘資料的不準(zhǔn)確性，該資料在礦區(qū)南西側(cè)采用調(diào)查收集到的采掘資料上的開采邊界作為采空邊界，而礦區(qū)北東側(cè)的采空邊界采用物探解譯邊界。由圈定范圍圖可知采空區(qū)邊界距擬建線路最近處為335m。

2.3 地質(zhì)鉆探

針對物探所得結(jié)論，在靠近擬建鐵路一側(cè)的安全區(qū)及采空區(qū)塌陷破壞區(qū)分別布置鉆孔進(jìn)行勘察驗(yàn)證，以揭示地層并為物探解譯提供參數(shù)并對物探解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證，共完成地質(zhì)鉆探9孔，累計(jì)進(jìn)尺402.5m。安全區(qū)內(nèi)共布置鉆孔8個，鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)未見異常，巖芯均較完整，多呈柱狀，反映孔位處地層未曾遭到采空區(qū)塌陷的擾動破壞，保持了原始的地層層序及產(chǎn)狀。采空區(qū)塌陷區(qū)內(nèi)布置鉆孔鉆至孔深20m時孔內(nèi)漏水嚴(yán)重，鉆進(jìn)無法進(jìn)行，鉆得巖芯極其破碎，未見塊狀或柱狀巖芯，反映孔位處地層已遭到采空區(qū)塌陷的擾動破壞，失去了原始的地層層序及產(chǎn)狀。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

線路從采空區(qū)西北側(cè)經(jīng)過，為了防止煤礦地表變形影響鐵路路基穩(wěn)定危及行車安全，采用鐵路保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)方法來確定安全邊界[3]。采空區(qū)安全圍護(hù)邊界計(jì)算示意圖如圖3所示。

其中：

L 安全距離

l1 基巖塌陷移動距離

l2 第四系地層塌陷移動距離

l0 安全圍護(hù)距離

H 采空區(qū)頂板厚度

h1 采空區(qū)基巖頂板厚度

h2 采空區(qū)第四系松散地層頂板厚度

γ1 基巖塌陷移動角

γ2 第四系松散地層塌陷移動角

計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，采空深度為100～400m，最深達(dá)450m，綜合分析后，確定上山方向（靠近線路方向）采空埋深采用150m，下山方向（遠(yuǎn)離線路方向）采空埋深采用450m，礦區(qū)附近所鉆9個鉆孔揭示第四系地層厚度2.5～18.5m，計(jì)算時第四系頂板厚度采用20m；參照《鐵路工程地質(zhì)手冊》[4]，確定上山塌陷移動角γ1=50°，γ2=45°，安全圍護(hù)距離l0=40m。

計(jì)算后可知，擬建線路位于他拉皋煤礦采空區(qū)安全圍護(hù)范圍以外165m，擬建線路附近地面未見地面塌陷，因此線路可以在現(xiàn)有采空邊界的情況下在礦界北側(cè)安全通過。

4 結(jié)語與建議

（1）通過搜集煤礦普查和開采資料，調(diào)查煤礦開采現(xiàn)狀和塌陷狀況，并通過物探及鉆探勘察資料，基本查明了他拉皋煤礦的開采邊界.通過分析該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，擬建線路位于煤層底板一側(cè)，且有逆斷層相隔，因此判定其基底穩(wěn)定，不會出現(xiàn)采空塌陷。

（2）通過計(jì)算擬建線路位于他拉皋煤礦采空區(qū)安全圍護(hù)范圍以外169.1m，線路可以在現(xiàn)有采空邊界的情況下在礦界左側(cè)（擬建鐵路一側(cè)）安全通過。

（3）他拉皋煤礦采空區(qū)塌陷區(qū)附近的鐵路線路應(yīng)盡量以路基方式通過，必須設(shè)橋的工點(diǎn)應(yīng)盡可能壓縮橋長。

（4）由于他拉皋煤礦尚在按原規(guī)劃對煤層繼續(xù)進(jìn)行開采，且每年正以50～100m的采掘速度進(jìn)行開采，線路方案確定之后，要盡快辦理停采或限采手續(xù)，做好對擬建鐵路的安全圍護(hù)工作，預(yù)留保護(hù)煤柱以確保鐵路方案的可行性，嚴(yán)格控制現(xiàn)有煤礦企業(yè)向擬建鐵路方向繼續(xù)開采，以確保鐵路建設(shè)順利實(shí)施及運(yùn)營安全。

參考文獻(xiàn)

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[2] 童立元，劉松玉，邱鈺，等.高速公路下伏采空區(qū)問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（7）：1198-1202.

[3] 嚴(yán)棟，鐵路采空區(qū)工程地質(zhì)勘察及穩(wěn)定性評價(jià)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（4）：11-14，56.

[4] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999.