滬昆高鐵豐城曲江段地面穩(wěn)定性預(yù)測及對策建議

劉前進(jìn) ，董 毓 ，黃 迅 ，陳開紅

LIU Qian-Jin1,DONG Yu1,HUANG Xun1,CHEN Kai-Hong2

(1.江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，南昌330030；2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì)，長沙410004)

（1.Geological Survey of Jiangxi Province，Nanchang 330030，China；2.402 Geological Prospecting Party，Changsha 410004，China）

滬昆高鐵豐城曲江段屬于長江經(jīng)濟(jì)帶交通干線（圖1）。研究區(qū)位于豐城市以北曲江鎮(zhèn)一帶，呈東西向橢圓狀，面積約50 km2，東南與豐城市中心區(qū)、小港鎮(zhèn)和南昌縣廣福鎮(zhèn)隔贛江相望，西與尚莊街辦接壤，北與上塘鎮(zhèn)、豐礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范園和同田鄉(xiāng)毗鄰。曲江鎮(zhèn)煤礦企業(yè)是鎮(zhèn)域經(jīng)濟(jì)的主要支柱，區(qū)內(nèi)主要分布有曲江煤礦、坪湖煤礦、建新煤礦、鴻達(dá)煤礦、寺前煤礦、黨根煤礦、足塘煤礦等。

資料表明，曲江鎮(zhèn)北部大部分區(qū)域均為坪湖煤礦采礦區(qū)，且開采年限也有五年以上，煤礦開采后造成地面塌陷等災(zāi)害情況時有發(fā)生。如龍津大道修建階段，2012年3月初K1＋501至K1＋775段發(fā)現(xiàn)路基裂縫，其下部為建新礦2011年采空區(qū)影響范圍；洪州學(xué)院北部1號樓于2014年出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，其下部為2013年采空區(qū)影響范圍等等。

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空間，造成上部巖土層在自重作用下失穩(wěn)而引起的地面塌陷現(xiàn)象，其發(fā)生與煤層的賦存條件和開采狀況及自然環(huán)境等因素有關(guān)[1-4]。采空塌陷伴隨著巖溶塌陷問題不僅江西獨(dú)有，在我國重要采煤區(qū)如山東、安徽、湖南、貴州等地也常出現(xiàn)[5-7]。因此，查明該段地面穩(wěn)定性的主要影響因素并對穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，對滬昆高鐵在該段正常運(yùn)行意義重大。為此，我們進(jìn)行了地面調(diào)查、資料收集和物探、鉆探等工作，并利用鉆孔點(diǎn)計算法進(jìn)行了穩(wěn)定性預(yù)測。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic location map of the study area

1 工作布置

為了查明地面塌陷的主要控制因素，以曲江鎮(zhèn)為中心，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)、地形地貌、地表調(diào)查及塌陷的分布情況，在地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，我們選擇物探和鉆探方法對影響因素進(jìn)行探測。物探勘察采用高密度電阻率法測量、視電阻率聯(lián)合剖面測量、激電測深法對區(qū)內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測。其中，1-1′線長度為 3200 m；2-2′線長度為6700 m，測線走向 310°，橫跨研究區(qū)（圖 2）。

為查明區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件、可溶巖埋藏深度、分布范圍及獲取水文地質(zhì)參數(shù)等，部署水文地質(zhì)鉆孔4處，投入鉆探工作量557.84 m。為查明區(qū)內(nèi)巖土體特征及工程地質(zhì)參數(shù)等，部署工程地質(zhì)孔8處，投入鉆探工作量227.3 m。并收集了區(qū)內(nèi)53個煤田地質(zhì)孔，以進(jìn)行地表變形計算（圖2）。

2 穩(wěn)定性影響因素分析

工作結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)地面塌陷及地面沉降的形成主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水條件等自然因素以及抽排地下水、人工采礦等人為因素的影響和控制。地裂縫、地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害同屬于采煤形成的采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害，其規(guī)模與煤炭的開采規(guī)模及地形地貌特征有關(guān)[8]。據(jù)調(diào)查顯示，人工采礦是主要的影響和控制因素。

2.1 地形地貌

不同的地形地貌直接控制著地下水的水動力特性，制約著巖溶作用的強(qiáng)度，使其在不同的地形部位形成不同的巖溶形態(tài)[9]。本區(qū)巖溶塌陷多分布于楊坑河河谷兩側(cè)（圖2），呈近東西向展布，北側(cè)為仙姑嶺東西向分水嶺，南側(cè)為曲江北東向崗埠分水嶺，兩側(cè)地下水向中部河谷徑流排泄，加大了地下水運(yùn)移速度，且第四系覆蓋層較薄，發(fā)育了一系列的暗河及溶洞，為地表塌陷的形成創(chuàng)造了有利條件。

2.2 地層巖性

研究區(qū)地層為第四系松散層、三疊系青龍組泥灰?guī)r、二疊系長興組灰?guī)r（圖2），其中長興組灰?guī)r為可溶巖，灰?guī)r中的裂隙在地下水流的溶蝕、沖刷作用下可不斷加寬、擴(kuò)容，形成較大的地下空洞或洞穴系統(tǒng)，洞穴系統(tǒng)的形成將加劇地下水對可溶巖的溶蝕、沖刷作用，而當(dāng)?shù)叵露囱ㄟ_(dá)到足夠大而洞穴頂板的強(qiáng)度不足以支撐其上的巖土重力時，將產(chǎn)生塌陷。

圖2 研究區(qū)主要實(shí)物工作量部署略圖Fig.2 Deployment diagram of main physical workload in the study area

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于萍鄉(xiāng)-樂平反“S”形構(gòu)造的中部，其北、其南分別為九嶺及武功山東西向構(gòu)造，屬于昆侖-秦嶺與南嶺緯向構(gòu)造帶之間區(qū)域性東西構(gòu)造帶。地質(zhì)構(gòu)造對巖溶塌陷的影響主要是通過其對巖溶發(fā)育程度的控制實(shí)現(xiàn)的。如曲江集鎮(zhèn)的巖溶塌陷，資料顯示，陷坑周圍斷層十分發(fā)育，從以下幾個方面可以佐證：（1）塌陷坑中心位置原為一個上升泉，該泉水為長興灰?guī)r水補(bǔ)給，此處灰?guī)r的埋藏深度為130 m以上，地下水只能是通過斷層帶方可出露；（2）曲江煤礦在開拓過程中，于井下相應(yīng)位置亦發(fā)現(xiàn)斷層；（3）物探成果顯示，2-2線400-630號測點(diǎn)的中高阻區(qū)為長興組灰?guī)r，其中在430號測深點(diǎn)斷層帶附近出現(xiàn)明顯的低阻帶，從激電測深視電阻率見斷層，其中ZK7孔斷層巖芯見明顯的斷層角礫巖及斷層泥（圖4）。

圖3 2-2線激電測深視電阻率擬斷面圖Fig.3 Quasi sectional drawing of apparent resistivity by IP sounding of2-2 line

圖4 ZK7鉆孔斷層角礫及斷層泥Fig.4 Faultbreccia and fault gouge of drillingZK7

2.4 人工抽排地下水

地下水的活動是巖溶塌陷形成過程中重要的動力因素之一[10]。變幅劇烈的地下水為巖溶塌陷的產(chǎn)生提供了強(qiáng)有力的動力條件[11]。研究區(qū)覆蓋型灰?guī)r巖溶發(fā)育，地下水聯(lián)通性較好，在徑流較通暢集中的地段，由于地下水的潛蝕、搬運(yùn)作用，在洞隙的開口處，對上覆土層產(chǎn)生潛蝕，形成土洞雛形。由于大量抽取地下水，改變了水動力條件，地下水水力坡度增大，流速加快，潛蝕作用增強(qiáng)，使充填物及塌陷物質(zhì)發(fā)生遷移、搬運(yùn)，在第四系厚度較薄或堆積物較松散的地段則直達(dá)地表，形成地面塌陷。據(jù)本次調(diào)查分析，覆蓋型灰?guī)r巖溶發(fā)育，水量較大，如CK1水文地質(zhì)鉆孔揭露隱伏型灰?guī)r，其中77.7-126.6 m為充填溶洞，水位降深49 m，單井涌水量157 m3/d；埋藏型灰?guī)r巖溶不發(fā)育，水量較小，如CK4水文地質(zhì)鉆孔揭露埋藏型灰?guī)r，水位降深56m，單井涌水量131m3/d。

據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)共有農(nóng)田灌溉機(jī)井20口（表1），所取水均來自本區(qū)主要含水層長興灰?guī)r，井深30-80 m，單井出水量20-80 m3/h，成井時間最早為1989年，最晚為2010年，由于農(nóng)田灌溉用水具有供水期集中、時間短（每年10月份）、水量大等特點(diǎn)，排水期為旱季更加劇了地下水對圍巖的沖刷侵蝕作用。同時，過量抽取地下水，致使地下水位下降加劇，誘發(fā)了巖溶地面塌陷的發(fā)生。

表1 區(qū)內(nèi)部分地下水開發(fā)利用一覽表Table 1 Table of exploitation and utilization of partial groundwater in the area

2.5 采礦影響

煤礦井下開采是導(dǎo)致地面塌陷產(chǎn)生的主要因素。區(qū)內(nèi)主要分布有曲江煤礦、坪湖煤礦、建新煤礦、鴻達(dá)煤礦、寺前煤礦、黨根煤礦、足塘煤礦、棋盤山煤礦等（圖5），據(jù)地表移動變形計算分析，未來采礦條件下，地表移動變形均較大，局部地段已達(dá)到四級變形。由此可見，研究區(qū)煤炭壓覆區(qū)內(nèi)如進(jìn)行開采可能引起的地面水平變形和傾斜變形量均較大，均有不同程度變形，從而加劇了地面塌陷及地面沉降的產(chǎn)生。

圖5 研究區(qū)與煤礦相對位置示意圖Fig.5 Relative position graph of the study area and coal mine

采煤對地表變形的影響因素有煤層埋藏深度、煤層開采厚度、煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造以及地面地形特征等因素。

（1）煤層埋藏深度：研究區(qū)主要煤層埋藏深度標(biāo)高為-5～-945 m,地面標(biāo)高21.1-52.6 m左右（取平均值30.0 m），即煤層埋藏深度為-35～975 m。含煤地層主要為樂平組層。

（2）煤層開采深度：曲江礦區(qū)，坪湖礦區(qū)、建新礦區(qū)、仙姑嶺勘查區(qū)在研究區(qū)涉及到范圍內(nèi)的B4煤層、C8煤層、C18煤層、C23煤層的賦存厚度較小。B4煤層最小厚度為1.29m，最大厚度為3.99 m，煤層傾角9-12°，屬于緩傾斜煤層；C8煤層最小厚度為0.71 m，最大厚度為1.35 m，煤層傾角9-12°，屬于薄層狀緩傾斜煤層；C18煤層最小厚度為0.69m，最大厚度為1.03m，煤層傾角11-13°，屬于薄層狀緩傾斜煤層；C23煤層最小厚度為0.64 m，最大厚度為1.65m，煤層傾角10-13°，屬于薄層狀緩傾斜煤層。

（3）煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)：根據(jù)各礦務(wù)局、勘查區(qū)巖層綜合柱狀圖分析，老山段下部的B4煤層頂板為厚約3～8 m的深灰-灰黑色細(xì)粉砂巖，局部為粗砂巖、含炭泥巖。底板為厚1～2 m的灰褐色鮞狀粘土巖或粘土質(zhì)、砂質(zhì)泥巖；位于王潘里段的底部的C8煤層，頂板為深灰色-灰黑色細(xì)粉砂巖、粗粉砂巖，底部以細(xì)粉砂巖為主；王潘里段的中上部的C18煤層，頂板多為粉砂巖，底板多為粘土巖、泥巖；王潘里段的頂部C23煤層，含夾矸一般在2～3層，夾矸的巖性以炭質(zhì)泥巖和泥巖為主。

綜上所述，本區(qū)特有的地質(zhì)構(gòu)造是發(fā)生巖溶塌陷的內(nèi)因，人工采礦是導(dǎo)致地面塌陷的主誘發(fā)和控制因素，人工抽排地下水及地層巖性為次控因素。因此本次穩(wěn)定性評價以人工采礦主控因素進(jìn)行分析討論。

3 穩(wěn)定性評價及易發(fā)程度分區(qū)

3.1 B4上覆區(qū)計算參數(shù)和地表移動計算

考慮到研究區(qū)下覆采空區(qū)工作面的復(fù)雜性，本次采用分點(diǎn)計算法進(jìn)行計算，計算研究區(qū)采區(qū)沉陷盆地的采動變形，現(xiàn)以B4煤層為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1.1 計算參數(shù)

研究區(qū)內(nèi)壓覆煤層共涉及到4個礦區(qū)（勘查區(qū)）范圍，分別為曲江礦井B4、C8、C18和C23煤層、坪湖煤礦B4煤層、建新煤礦B4煤層及仙姑嶺勘查區(qū)C8、C18和C23煤層。

依據(jù)各礦區(qū)（勘查區(qū)）各煤層原勘查報告塊段儲量圖，結(jié)合研究區(qū)采動變形分析范圍，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》要求，分析計算B4煤層采動變形。采空區(qū)地面標(biāo)高21.1-52.6 m左右（取平均值30.0 m）。

本區(qū)下伏的煤層為樂平組B4煤層，引用各煤礦儲量核查報告，結(jié)合豐城礦務(wù)局的觀測資料進(jìn)行預(yù)測。取各見煤鉆孔煤厚計算，其中水平移動系數(shù)b=0.3；下沉系數(shù)q=0.65；移動邊界角β=64°；煤層傾角取各煤礦（勘查區(qū)）的平均值α=11°。

3.1.2 地表移動計算

點(diǎn)計算法（根據(jù)見煤鉆孔資料計算）。例如：鉆孔5-1，地面標(biāo)高25.45 m，煤層到地表的垂深H=534.00 m，見煤厚度為3.15m；則最大下沉η=qmcosα=0.65×1.54×cos12°=0.979126m=979.126mm；最 大 傾 斜 I=η/（H/tgβ）=979.126/（691.5/tg64°）=2.903 mm/m；

最大曲率 K=±1.52η/（691.5/tg64°）2=±0.0131mm/m2；最大水平變形ξ=±1.52bI=±1.52×0.3×2.903=±1.324mm/m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》對磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級劃分；根據(jù)各鉆孔損壞等級表（表2），采用內(nèi)插計算方法繪B4煤層采動變形分析平面圖（圖6、圖7、圖8）。

開采方案按采動對地面建筑的保護(hù)以“三下”采煤規(guī)程的Ⅰ級保護(hù)等級加以保護(hù)，即地面容許最大變形為：水平變形ζ≤2.0 mm/m，傾斜變形Ⅰ≤3.0mm/m，曲率 K≤0.2×mm/m2。

3.1.3 B4上覆區(qū)穩(wěn)定性評價

地表移動計算結(jié)果表明，研究區(qū)涉及到的幾個壓覆區(qū)（礦區(qū)和勘查區(qū)）未來采礦條件下，地表移動變形均較大，壓覆范圍內(nèi)部分地段達(dá)到四級變形（水平變形＞6.0mm/m，傾斜變形＞10.0mm/m，曲率K＞0.6mm/m2)。研究區(qū)下伏煤層開采時，由于部分地段煤層厚度大、埋藏淺，煤層開采引起的規(guī)劃區(qū)地面變形大，對研究區(qū)產(chǎn)生影響較大。由此可見，研究區(qū)內(nèi)煤炭壓覆區(qū)如進(jìn)行開采可能引起的地面水平變形和傾斜變形量均較大，均有不同程度變形，部分地段將受三級損壞，相對應(yīng)的地面受采動影響較大。建議對壓覆區(qū)煤炭資源不做開采，留設(shè)保留煤組，切實(shí)保障研究區(qū)的安全。目前，坪湖煤礦及建新煤礦已于2016年封閉礦井，推測地面變形將得到質(zhì)的緩解。如需繼續(xù)開采，應(yīng)請專業(yè)論證單位進(jìn)行專門的可采性論證，依據(jù)論證結(jié)果采取專門的加固措施，必要時采取減小地表移動和變形的開采技術(shù)措施。

3.2 研究區(qū)穩(wěn)定性易發(fā)程度分區(qū)

依據(jù)本次面上調(diào)查災(zāi)點(diǎn)，結(jié)合以往前人資料及各煤礦采空區(qū)范圍，通過地面地表移動計算結(jié)果，劃分為易發(fā)區(qū)、較易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)（圖9）。

（1）易發(fā)區(qū)

曲江煤礦采空區(qū)，根據(jù)計算地面變形對建筑物的破壞影響為一至二級，且以一級為主。由于曲江煤礦近幾年才進(jìn)行開采，形成的采空區(qū)面積雖小，但沉降極不穩(wěn)定，而實(shí)際情況與計算結(jié)果相符（本次共收集調(diào)查房屋變形調(diào)查點(diǎn)百余個），即煤礦開采將對地面建筑物產(chǎn)生較大影響。因此，曲江煤礦采空區(qū)及煤礦開采活動區(qū)域?yàn)椴煽盏孛嫠菁暗孛娉两狄装l(fā)區(qū)。

（2）較易發(fā)區(qū)

坪湖煤礦及建新煤礦采空區(qū)，根據(jù)計算地面變形對建筑物的破壞影響為三至四級，但開采時間已超過五年，沉降趨于穩(wěn)定。近年來當(dāng)?shù)鼐用裨谠摰剡M(jìn)行了大量的房屋建設(shè)，據(jù)調(diào)查資料顯示，在煤礦開采2.5H（約五年）后建設(shè)的房屋在建設(shè)和使用過程中未出現(xiàn)由于煤礦開采沉陷變形而引起的開裂或傾斜現(xiàn)等現(xiàn)象。而且由于近幾年國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型調(diào)整（去產(chǎn)能），2016年坪湖及建新煤礦已封井停采。結(jié)合煤礦開采沉陷理論和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，本段劃為采空地面塌陷及地面沉降較易發(fā)區(qū)。

（3）不易發(fā)區(qū)

仙姑嶺以北、皮胡水庫以東、曲江鎮(zhèn)以南均為不易發(fā)區(qū)，該段不屬于煤礦采空區(qū)，因此不會產(chǎn)生采空地面塌陷及地面沉降等不良環(huán)境地質(zhì)問題。

表2 研究區(qū)各鉆孔損壞等級表Table 2 Damage grade table of drilling in the study area

4 防治對策建議

綜上所述，研究區(qū)受煤礦開采沉陷引起的地面沉降及地面塌陷問題尤為突出，為保護(hù)地質(zhì)環(huán)境、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害及合理保障區(qū)內(nèi)工程建設(shè)和運(yùn)營過程中的安全，現(xiàn)對本區(qū)提出防治措施如下：

（1）坪湖煤礦及建新煤礦一帶，控制區(qū)內(nèi)灰?guī)r地下水的開采，減少地下水對灰?guī)r的物理化學(xué)作用，預(yù)防巖溶地面塌陷的發(fā)生。

圖6 研究區(qū)下覆B4煤層傾斜變形分級圖Fig.6 Classification diagram of inclination deformation of lower coal B4 in the study area

圖7 研究區(qū)下覆B4煤層水平變形分級圖Fig.7 Classification diagram of horizontal deformation of lower coal B4 in the study area

圖8 豐城市曲江研究區(qū)煤層采動曲率圖Fig.8 Coal mining curve graph oft he study area in Qujiang,Fengcheng city

圖9 豐城市曲江-上塘采空地面塌陷易發(fā)性區(qū)劃圖Fig.9 Lability zoning graph of mining collapse between Qujiang and Shangtang in Fengcheng city

（2）曲江煤礦一帶，建議礦山對開發(fā)方案進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合本區(qū)實(shí)際情況，建議開采時留設(shè)保護(hù)礦柱，保護(hù)框住的圍護(hù)帶寬度，以盡量減少礦山開采對地面變形的影響；

（3）曲江集鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)內(nèi)不宜建設(shè)高層或超高層建筑，因?yàn)楦邔踊虺邔咏ㄖ暮奢d將改變沉降區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，使沉降活動繼續(xù)，低層建筑亦應(yīng)考慮沉降變形的影響。

（4）針對新曲江中學(xué)一帶，應(yīng)布置長期觀測點(diǎn)，對沉陷區(qū)進(jìn)行地面沉降長期觀測，掌握第一手的地面變形資料，為今后的防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)；其次，在采空區(qū)設(shè)計新建筑物，應(yīng)充分掌握地表移動和變形的規(guī)律，分析地表變形對建筑物的影響，選擇有利的建筑場地，采取有效的建筑和結(jié)構(gòu)措施，保證建筑物的正常使用功能。

5 結(jié)論

（1）影響該區(qū)穩(wěn)定性的主要因素是構(gòu)造、巖性、煤層基本屬性和開采現(xiàn)狀等。煤礦井下開采是導(dǎo)致地面塌陷產(chǎn)生的主要因素。

（2）研究區(qū)地面塌陷穩(wěn)定性可劃分為易發(fā)區(qū)、較易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)。曲江煤礦采空區(qū)及煤礦開采活動區(qū)域?yàn)椴煽盏孛嫠菁暗孛娉两狄装l(fā)區(qū)；坪湖煤礦及建新煤礦采空區(qū)為地面塌陷及地面沉降較易發(fā)區(qū)；仙姑嶺以北、皮胡水庫以東、曲江鎮(zhèn)以南均為不易發(fā)區(qū)。

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