古城煤礦超深采空區(qū)對魯南高鐵安全影響評價(jià)

孫凱強(qiáng)

摘要 為了研究古城煤礦超深采空區(qū)（1 200 m）對魯南高鐵的影響，通過充分調(diào)查收集古城煤礦地區(qū)地質(zhì)資料、礦井設(shè)計(jì)資料、生產(chǎn)布局、開采現(xiàn)狀、后期開采計(jì)劃以及周邊煤礦的開采情況，采用綜合物探、地表監(jiān)測、INSAR數(shù)據(jù)解譯等手段驗(yàn)證采空區(qū)范圍，并結(jié)合理論計(jì)算，現(xiàn)場沉降觀測和概率積分法變形預(yù)測，分析研究古城煤礦3107工作面采空區(qū)對魯南高鐵產(chǎn)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(shè)參數(shù)建議提供了依據(jù)，確保高鐵施工及運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞 魯南高鐵;超深煤礦采空區(qū);綜合勘察;安全評價(jià);概率積分法

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

0 引言

目前國內(nèi)外采空區(qū)勘探主要考慮工程以及地災(zāi)整治需求，其勘探深度一般都200 m以內(nèi)，極少數(shù)情況下達(dá)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(qū)勘察，國內(nèi)外鮮見應(yīng)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(yuǎn)大于30的條件下，地表移動變形在空間和時(shí)間上都具有明顯的連續(xù)性，采空區(qū)坍塌引發(fā)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(jìn)行勘探識別采空區(qū)，這極大限制了地球物理勘探方法選擇，工程勘察領(lǐng)域淺層地球物理勘探方法如地震映像、探地雷達(dá)、高密度電阻率法、瞬變電磁法、微重力等均無法達(dá)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(qū)內(nèi)進(jìn)行AMT和MT采集試驗(yàn)，由于工頻干擾以及基巖低電阻率的客觀條件，也無法達(dá)到勘探目的[1-2]。

基于隨機(jī)介質(zhì)理論的概率積分法是我國開采沉陷預(yù)測的主要方法，也是“規(guī)程”規(guī)定的開采沉陷預(yù)測方法之一[3]。在開采沉陷的多種預(yù)計(jì)方法中，概率積分法以其理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)、計(jì)算形式簡單、公式便于推導(dǎo)、計(jì)算速度較快等諸多特點(diǎn)而成為對開采沉陷進(jìn)行精確預(yù)計(jì)的主要方法[4-6]。針對該方法，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[7-9]。

目前，獲得概率積分法參數(shù)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(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)擬合的方法獲得該工作面的概率積分法參數(shù)，以指導(dǎo)鄰近工作面或者相似地質(zhì)采礦條件的開采沉陷預(yù)測[10-11]。實(shí)測方法所獲得的參數(shù)較為準(zhǔn)確可靠。各主要礦區(qū)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(qū)的地表移動計(jì)算參數(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該文利用概率積分法，對某礦區(qū)工作面開采后地表變形規(guī)律進(jìn)行預(yù)計(jì)，為開采工作提供理論基礎(chǔ)。

1 概況

1.1 工程概況

魯南高鐵位于山東省西南部經(jīng)濟(jì)隆起帶的臨、棗、濟(jì)、菏發(fā)展軸[12]，是位于山東省南部地區(qū)的快速鐵路客運(yùn)通道，其中曲阜至菏澤段線路正線全長160.750 km，設(shè)計(jì)時(shí)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(qū)，其中距離線路近、影響大的是古城煤礦超深采空區(qū)。

1.2 地質(zhì)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(gòu)造發(fā)育，褶曲不發(fā)育，地層緩傾，傾向多變，基巖裂隙水（偶含巖溶水）不發(fā)育，與上部第四系水力聯(lián)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(xì)砂，工程性質(zhì)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(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a，設(shè)計(jì)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)，一水平標(biāo)高為?505 m，二水平標(biāo)高為?850 m，三水平標(biāo)高為?1 030 m，采用綜采放頂煤方法開采3煤層。

根據(jù)收集的古城煤礦3煤層采掘工程平面圖，目前主采區(qū)工作面與魯南高鐵的相對位置關(guān)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(biāo)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(nóng)田，地面標(biāo)高約55 m。

2 采空區(qū)綜合勘察

2.1 資料搜集

調(diào)查收集古城煤礦地質(zhì)資料，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水含水組（層）等背景資料，以及古城煤礦礦井設(shè)計(jì)資料、生產(chǎn)布局、巷道分布、開采現(xiàn)狀、后期開采計(jì)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(jù)勘探目的任務(wù)，結(jié)合地形、地貌、村莊平面情況以及收集的采區(qū)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(qū)邊界，同時(shí)兼顧探明界線以南近魯南高鐵路一側(cè)是否還存在其他的采空區(qū)、構(gòu)造及其發(fā)育情況，寬線地震反射共布設(shè)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(jù)該次勘探目的任務(wù)，結(jié)合收集開采資料，原則上保證覆蓋古城煤礦3107采掘面，同時(shí)兼顧探明界線以南近魯南高鐵路一側(cè)是否還存在其他的采空區(qū)、構(gòu)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(diào)查

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)行了調(diào)查。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場地表變形以沉降變形為主，采空區(qū)中心位于基本農(nóng)田內(nèi)，未見塌陷坑，不影響小麥與玉米的種植。小沂河未發(fā)生斷流現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場在距離3209工作面南側(cè)200～500 m水平投影范圍內(nèi)的楊莊村房屋及小路裂縫的調(diào)查情況，對差異沉降十分敏感的砌體結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)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(shù)據(jù)解譯

（1）2017—2020年InSAR解譯采空區(qū)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(qū)位于3107工作面偏北側(cè)、3209西側(cè)，3107與3209采空區(qū)引起的地面變形已于2019年初穩(wěn)沉，2020年的InSAR解譯成果已無變形發(fā)展。在3107及3209采區(qū)的南側(cè)及東側(cè)未見其他采空的變形影響，無其他采空區(qū)。

（2）InSAR分多期解譯成果，與礦區(qū)開采歷程、采空區(qū)平面分布形態(tài)及典型點(diǎn)地表監(jiān)測、地表調(diào)查之間可相互印證?！皶r(shí)—空”形變具有較好的對應(yīng)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(qū)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(qū)距線路830～835 m;InSAR解譯中心沉降區(qū)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(tài)，以及物探的解譯范圍與3107及3209工作面較為吻合，地面調(diào)查房屋裂縫、裂紋（線路位于Ⅰ級損壞區(qū)影響邊界外420 m）與上述位置也有較好的對應(yīng)性。

綜上所述，采用以上四種方法獲取的兩個(gè)采空區(qū)的邊界具有較好的一致性和符合性，用于評價(jià)其對高鐵的影響是可靠的。綜合前期煤田勘察成果，兩采區(qū)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(qū)影響范圍內(nèi)地面沉降分析與預(yù)測

3.1 地表沉降觀測資料分析評價(jià)

魯南高鐵施工前及施工過程中，在沿線路兩側(cè)按一定間距設(shè)置了一批沉降觀測點(diǎn)。2019—2020年，現(xiàn)場對DK276+125～DK280+500段的CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行了3次高程測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制折線圖如圖5。

從2019—2020年的沉降變形曲線反映：

（1）CPⅠ點(diǎn)及CPⅡ點(diǎn)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(wěn);2020年8月監(jiān)測點(diǎn)普遍出現(xiàn)少量反彈。

（2）此段范圍內(nèi)沉降量整體比較穩(wěn)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(cè)的CPⅠ與CPⅡ點(diǎn)實(shí)測變形數(shù)據(jù)表明，DK275～DK283此段線路兩側(cè)的各CPⅠ點(diǎn)、CPⅡ點(diǎn)地表沉降變形趨勢基本一致。

3.2 概率積分法沉降變形預(yù)測計(jì)算

3.2.1 邊界角取值分析與論證

通過采用實(shí)測取值法、規(guī)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(shí)測法、規(guī)范法、工程類比法的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)已納入規(guī)范并在該礦成功應(yīng)用多年，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的“概率積分反演分析”結(jié)果，綜合考慮采空區(qū)的采深、采厚、煤層產(chǎn)狀，覆巖厚度、強(qiáng)度及完整性等因素，選取3107采空區(qū)巖移邊界角巖層60°、土層45°。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)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。基巖段巖性以中砂巖、細(xì)砂巖為主，夾有部分泥巖和頁巖段。覆巖總體可評價(jià)為中硬偏軟的巖層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》GB 51044—2014[3]與“三下”規(guī)程[13]中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，考慮到3107工作面煤柱的穩(wěn)定性、采區(qū)積水情況等，結(jié)合礦區(qū)工作面經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)范圍，對規(guī)范中巖移參數(shù)參考值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使預(yù)計(jì)的影響范圍更合理。經(jīng)綜合分析確定，評估地表移動預(yù)計(jì)參數(shù)選取如表2所示。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(yù)計(jì)最大下沉值880 mm。

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

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）通過對采掘竣工資料、現(xiàn)場調(diào)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(qū)邊界具有較好的一致性、符合性。3107采空區(qū)邊界距線路最近距離為920 m。

（2）在調(diào)研分析已有研究應(yīng)用成果基礎(chǔ)上，采用實(shí)測法、規(guī)范法、工程類比法、概率積分反演法等綜合分析方法，并結(jié)合采空區(qū)的采深、采厚、煤層產(chǎn)狀;覆巖厚度、強(qiáng)度及完整性等因素，選取3107采空區(qū)巖移邊界角巖層60°、土層45°。

（3）概率積分法計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)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(hù)帶最近距離212 m，圍護(hù)帶無沉降變形值。

4.2 建議

（1）煤礦方應(yīng)嚴(yán)格按照備案壓覆禁采范圍，留設(shè)高鐵安全保護(hù)煤柱。在3107工作面附近進(jìn)行開采時(shí)，應(yīng)合理留設(shè)保護(hù)煤柱，確保相鄰附近工作面開采不會導(dǎo)致3107工作面采空區(qū)活化，引起3107工作面的二次變形、塌陷。

（2）施工期間及運(yùn)營期間應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測古城煤礦采空區(qū)地表變形的影響，建議于DK276+350～DK279+500段右側(cè)布置地表變形觀測線。

參考文獻(xiàn)

[1]朱衛(wèi)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(xué)進(jìn)展， 2017（6）： 2608-2618.

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

[3]煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范：GB 51044-2014（2017年局部修訂）[S]. 北京：中國計(jì)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(zāi)害預(yù)測[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)， 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(qū)地表移動預(yù)計(jì)修正模型及其參數(shù)求取方法[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2014（6）： 1070-1076.

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

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

[9]葛家新. 地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)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(yè)的環(huán)境影響及可持續(xù)發(fā)展[J]. 中國礦業(yè)， 2003（7）： 23-26.

[11]王鑫， 張志龍. 礦業(yè)城市地下水抽排的生態(tài)環(huán)境影響模型研究[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究， 2007（6）： 32-33+36.

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

[13]國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)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(shè)與壓煤開采規(guī)程：2017年5月[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 2017.