鄰近深厚煤礦采空區(qū)對魯南高速鐵路的影響分析

穆文光 韓廣樂 高雪蓮 李 鵬 張春生

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251； 2.天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 301607)

采空區(qū)對高鐵安全威脅極大，也是鐵路工程技術(shù)人員關(guān)注的重點[1-5]。李國和等研究采空區(qū)勘察、鐵路采空區(qū)穩(wěn)定性與評價、采空區(qū)鐵路工程設(shè)計等，提出以實測最大下沉量與計算最大下沉量來分析大型采空區(qū)地表穩(wěn)定程度[6-8]；徐法奎等基于相鄰區(qū)域地表移動觀測數(shù)據(jù)，采用概率積分法計算最大下沉值、最大水平移動值等[9]。然而，采用INSAR解譯和物探等綜合勘探手段來分析采空區(qū)影響范圍及計算保護(hù)煤柱寬度的研究還相對缺乏[10]。

1 采空區(qū)分布、開采情況及地質(zhì)特征分析

1.1 沿線煤礦分布特點

魯南高速鐵路曲阜至菏澤段位于山東省西南部。線路起于曲阜，向西途經(jīng)兗州、濟(jì)寧、嘉祥、巨野、鄆城，而后進(jìn)入菏澤。沿線煤礦分布眾多(見圖1)，煤炭儲量在高程-1 000 m以上有3 080×104t，-2 000 m以上有70 200×104t，發(fā)熱量高達(dá)2.72×104kJ/kg是全國重要的褐煤基地。

圖1 高鐵沿線濟(jì)寧地區(qū)主要煤礦分布

1.2 技術(shù)路線

按照采空區(qū)勘察、穩(wěn)定性評價有關(guān)規(guī)定，分析該地區(qū)InSAR解譯數(shù)據(jù)在確定緊鄰高鐵采空區(qū)影響范圍和發(fā)展趨勢的應(yīng)用效果[11]，分析可控源音頻大地電磁法[12]判定采空區(qū)空間分布的獨特優(yōu)勢，各種勘探手段相互分析、比對，確定采空區(qū)分布范圍[13]。在緊鄰高鐵采空區(qū)缺乏觀測數(shù)據(jù)的情況下，對鄰近采空區(qū)開采參數(shù)、實測邊界角分析、研判，查找規(guī)律[14]，合理確定緊鄰高鐵采空區(qū)邊界角，按照鐵路下保護(hù)煤柱留設(shè)的計算公式，確定保護(hù)煤柱寬度及采空區(qū)影響范圍[15]。

線路附近的采空區(qū)主要有星村煤礦采空區(qū)、古城煤礦采空區(qū)、興隆莊煤礦采空區(qū)、楊莊煤礦采空區(qū)、何崗煤礦采空區(qū)、魯西煤礦采空區(qū)、葛亭煤礦采空區(qū)。其中對貫通方案可能產(chǎn)生影響的為古城煤礦采空區(qū)及楊莊煤礦采空區(qū)(見圖2)。

圖2 可能影響線路方案的主要采空區(qū)及周邊煤礦開采現(xiàn)狀

1.3 采空區(qū)開采情況及地質(zhì)特征

古城煤礦于2001年1月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力90×104t /a，設(shè)計服務(wù)年限51.9年。采用立井、暗斜井開拓，中央并列式通風(fēng)，一水平高程為-505 m，二水平高程為-850 m，三水平高程為-1 030 m。全井田共分為11個采區(qū)，目前開采主要集中在南部的30、31、32采區(qū)，開采方式為條帶開采，全部采用綜采放頂煤工藝開采(見圖3)。

圖3 線路與古城煤礦采空區(qū)各工作面位置關(guān)系

由圖3可知，3107工作面距線路最近，位于大柳莊以南205 m、八里鋪東北390 m處，地面高程約55 m。地層自上而下分別為：第四系、第三系、侏羅系、二疊系、石炭系和奧陶系，含煤地層為二疊系山西組，煤層埋深1 135 m，煤層厚8.0 m。工作面上至31采區(qū)集中軌道，下至井田邊界，西南為斷層，南為未開拓區(qū)域。2017年1月份開始回采，采用保護(hù)性煤柱條帶式開采，綜采放頂煤一次采全高生產(chǎn)工藝。煤層傾向北東，傾角近水平。工作面下部寬118 m，回采長度509 m，上部寬度89 m，回采長度192 m。2018年3月回采結(jié)束，回采長度701 m，距離線路中心最近為919 m。

楊莊煤礦東翼采區(qū)北部在魯南高速鐵路禁采線和壓覆資源評估線之間(見圖4)。區(qū)內(nèi)地層自上而下為：第四系、二疊系、石炭系、奧陶系、含煤地層為二疊系山西組，煤層埋深290 m，煤層厚8 m。楊莊煤礦與古城煤礦之間發(fā)育有近東西向的滋陽斷層，故煤層埋深差異明顯。2014～2017年，南部有3306、3307、3308、3309、3401及3405等工作面；北部為局部開采的一分層3112工作面，3112工作面采高2.2 m(為正在開采的工作面，2015年接到濟(jì)寧市政府停采通知時僅推進(jìn)了66 m)。評估區(qū)西部為津浦鐵路保護(hù)煤柱，東北部為興隆莊煤礦。3112工作面邊界距離線路中心最近為260 m。

圖4 線路與楊莊東翼采區(qū)位置關(guān)系

因楊莊煤礦2015年三季度將面臨停產(chǎn)局面，濟(jì)寧市煤炭局多次申請開采壓覆協(xié)議范圍外(評估區(qū))的煤炭資源(3402工作面、3403工作面和采區(qū)邊角塊段)。區(qū)內(nèi)沿煤層走向(南北)總長度約380 m，沿煤層傾向(東西)長度約310 m，平均傾角5°，厚8.5 m，煤炭總儲量約140×104t。其中3402、3403面已采二分層，剩余煤層厚4.1 m。邊角塊段北部3112面剩余煤層厚6.3 m，邊角塊段其余煤層厚8.5 m。

2 采空區(qū)對魯南高鐵的影響分析

2.1 InSAR解譯成果分析

根據(jù)古城煤礦采空區(qū)分布范圍，采用RadarSat-2寬幅精細(xì)高分SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對研究區(qū)域全覆蓋、時間一致、監(jiān)測同精度。采用常規(guī)D-InSAR和時序InSAR相結(jié)合的解譯方法，實現(xiàn)對采空區(qū)地面形變分析。其中，D-InSAR方法處理得到的差分干涉圖能夠直觀反映不同時段地面形變情況，定性角度確定沉陷形態(tài)；而時序InSAR分析方法則可以獲取連續(xù)時段的累計沉降量。依據(jù)InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制古城煤礦附近InSAR沉降干涉成果(見圖5)。InSAR解譯成果中，地表變形最大區(qū)域(藍(lán)色部分)與收集資料情況基本吻合(向東南方向有外擴(kuò)趨勢)。

圖5 2018年InSAR沉降干涉成果

2019年7～8月，通過現(xiàn)場走訪、問詢，對古城煤礦3107工作面周邊的地表構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，地表未見明顯塌陷坑，地表變形以沉降變形為主。根據(jù)距離采空區(qū)300～750 m范圍內(nèi)的調(diào)查情況，水泥道路和建筑房屋出現(xiàn)開裂及裂縫痕跡。其中，道路和房屋裂縫最遠(yuǎn)點距離采空區(qū)邊界約750 m，地表裂縫寬2～5 mm。

根據(jù)最新InSAR解譯數(shù)據(jù)分析，結(jié)合現(xiàn)場的道路路面開裂、房屋開裂調(diào)查點的分布情況，繪制采空區(qū)地表調(diào)查點分布與Insar解譯成果分析成果(見圖6)。調(diào)查的裂縫范圍與InSAR解譯的不穩(wěn)定區(qū)域基本吻合，在地表裂縫出露地方，地表變形破壞明顯，屬于不穩(wěn)定場地，地表裂縫出現(xiàn)范圍為受采空區(qū)影響的不穩(wěn)定區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)地表變形受采空區(qū)自身穩(wěn)定狀態(tài)影響明顯，不穩(wěn)定區(qū)邊界距離采空區(qū)邊界最遠(yuǎn)約750 m。通過InSAR解譯，線路位于不穩(wěn)定區(qū)外側(cè)，采空區(qū)變形對線路影響較小。

圖6 采空區(qū)地表調(diào)查點分布與Insar解譯成果

2.2 物探測試成果分析

根據(jù)野外調(diào)查的古城煤礦采空區(qū)分布情況，布置4條物探測線，利用可控源音頻大地電磁法完成測區(qū)野外物探工作(見圖7)。

圖7 物探測試成果平面

根據(jù)可控源音頻大地電磁法測試結(jié)果，在測線1～測線4范圍內(nèi)均有采空區(qū)異常顯示，物探測試成果見表1。

表1 物探測試成果

該區(qū)域煤層厚度及采空區(qū)的高程，鉆探結(jié)果與物探測試結(jié)果基本相同。采空區(qū)異常出現(xiàn)的高程位置和推測的平面位置，大體上與收集的開采工作面資料相匹配，在礦區(qū)東部邊界處局部有差異，測線4和測線1反映采空區(qū)異常有自開采工作面邊界往東擴(kuò)展的跡象，這與InSAR解譯成果基本吻合。

2.3 保護(hù)煤柱寬度計算

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號)第56條要求，路堤應(yīng)以兩側(cè)路堤坡腳外1 m為界，路塹應(yīng)以兩側(cè)塹頂邊緣外1 m為界，橋梁應(yīng)當(dāng)以基礎(chǔ)外邊緣外1 m為界，在兩側(cè)界線以內(nèi)的范圍為受護(hù)面積，然后沿受護(hù)面積的邊界向外擴(kuò)大一定距離加圍護(hù)帶。該高速鐵路保護(hù)等級為特級，因此對應(yīng)的圍護(hù)帶寬度為50 m。經(jīng)過古城煤礦東南區(qū)附近段路基填高約6 m，坡率1∶1.5，路基面半寬4.3 m，線間距5 m。經(jīng)過計算，得出路基圍護(hù)帶邊界到線路中心的距離為63.3 m(本次統(tǒng)一按65 m考慮)。同時，本區(qū)煤層傾角為7°，近乎水平，本次計算按水平考慮。

考慮邊界角受多種因素(地層結(jié)構(gòu)、開采方法、采厚、采深、傾角等)影響，選擇單個值進(jìn)行分析，難以準(zhǔn)確反映采空區(qū)對線路的影響，故基于既有資料進(jìn)行以下分析(見表2)。

由表2可知，礦區(qū)邊界角在58°～64°之間變化，在地層結(jié)構(gòu)及其他開采參數(shù)相似的情況下，開采面積減小邊界角有增大的趨勢。

表2 古城煤礦實測巖移參數(shù)

3107工作面第四系厚度約170 m。煤系地層為二疊系，煤層頂板，由細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖夾砂質(zhì)泥巖、泥巖組成。采用綜采放頂煤，采厚8.0 m，開采深度1 135 m，開采面積約為72 203 m2，煤層近似水平。由于3107工作面是近期開采，無地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，只能根據(jù)鄰近工作面的實測數(shù)據(jù)分析比較。從上述分析可知，礦區(qū)邊界角的平均值為60.5°，3107工作面鄰近3200工作面且開采面積較小，其地層結(jié)構(gòu)及開采參數(shù)與3200工作面基本相同，綜合考慮多方因素，3107工作面邊界角取61°較為合理。

楊莊煤礦臨近煤礦實測巖移參數(shù)見表3。

由表3可知，3個工作面地表移動盆地綜合邊界角實測值在60.6°～62.8°之間，由于楊莊煤礦3112、3403、3402為近期開采，沒有完整的觀測資料，故采用偏保守的邊界角(62°)。

表3 楊莊煤礦臨近煤礦實測巖移參數(shù)

保護(hù)煤柱寬度計算見圖8及表4。

由圖8、表4可知，采空區(qū)未侵入保護(hù)煤柱邊界，鐵路處于安全狀態(tài)。

表4 保護(hù)煤柱寬度計算

圖8 保護(hù)煤柱計算示意

3 結(jié)論

(1)在古城煤礦InSAR解譯干涉成果中，地表變形最大區(qū)域與收集資料基本吻合。

(2)經(jīng)過分析、比較，認(rèn)為古城3107采空區(qū)邊界角采用61°，楊莊煤礦采空區(qū)邊界角采用62°合理、安全。

(3)古城3107、楊莊3112、楊莊3403、楊莊3402工作面均未侵入保護(hù)煤柱邊界，采空區(qū)對DK276+400～DK279+900鐵路無影響。

(4)采空區(qū)沉降邊界未侵入圍護(hù)帶邊界，采空區(qū)對鐵路安全無影響，但應(yīng)禁止向鐵路方向繼續(xù)開采。