高速鐵路大面積密集煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)勘察及評(píng)價(jià)*

王亞威

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路事業(yè)取得快速發(fā)展，路網(wǎng)覆蓋范圍廣、密度大，另一方面我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，開采歷史悠久，遺留大量采空區(qū)，鐵路建設(shè)過程中，不可避免地會(huì)穿越采空區(qū)。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(qū)問題[1-4]。

許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，李國(guó)和等[5]總結(jié)采空區(qū)鐵路勘察選線設(shè)計(jì)的基本流程和方法，提出采空區(qū)鐵路選線安全距離計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。韓會(huì)勛[6]采用資料搜集、調(diào)查、鉆探、孔內(nèi)電視成像相結(jié)合的勘察方法，查明采空區(qū)平面、空間分布形態(tài)及殘余移動(dòng)變形的時(shí)空規(guī)律。姚成志、孫林[7-8]通過地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查、物探結(jié)合鉆探，查明某小型采空區(qū)的分布范圍及其對(duì)工程的影響。李志華[9]對(duì)采空區(qū)綜合物探方法進(jìn)行系統(tǒng)討論和總結(jié)，提出鐵路采空區(qū)綜合物探工作模式。王旭[10]總結(jié)小煤窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及處理措施。

高速鐵路對(duì)線下工程變形要求極高，必須詳細(xì)查明地下采空區(qū)的情況，評(píng)價(jià)穩(wěn)定性及其對(duì)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(qū)為案例，通過采用資料搜集及調(diào)查分析、物理勘探和深孔鉆探相結(jié)合的綜合勘察方法，查明線路附近各煤礦采空區(qū)的分布情況，分析評(píng)價(jià)采空區(qū)對(duì)鐵路工程的影響。

1 工程概況

寧國(guó)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(zhèn)、港口鎮(zhèn)煤礦采空區(qū)之間穿越，如圖 1所示。線路左側(cè)分布有兆坤煤礦、勝利煤礦、發(fā)水煤礦，右側(cè)分布有港口一礦、烏石礦業(yè)、趙村煤礦、金山煤礦和民國(guó)時(shí)期私采小煤窯等，煤礦數(shù)量多，開采規(guī)模不一，給勘察設(shè)計(jì)工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖1 礦區(qū)分布示意

2 采空區(qū)工程地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)屬水陽(yáng)江沖積階地，局部為剝蝕殘丘，地面標(biāo)高35.000～100.000m。地層巖性主要為三迭系下統(tǒng)殷坑組(T1y)灰?guī)r夾泥薄層灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，二迭系上統(tǒng)大隆組(P2d)炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)灰?guī)r，二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)炭質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、泥巖。煤層位于二迭系龍?zhí)督M煤系中部的炭質(zhì)頁(yè)巖、砂巖中。該區(qū)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(zhì)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(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斜交斷層為主，層間滑動(dòng)尤為突出。

3 采空區(qū)工程地質(zhì)勘察

3.1 資料搜集、調(diào)查及分析

采空區(qū)資料搜集和調(diào)查走訪工作是開展采空區(qū)綜合勘察工作的基礎(chǔ)，也是最關(guān)鍵的一步，直接影響后續(xù)物探、鉆探工作的開展。本項(xiàng)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(qū)開采的相關(guān)圖紙報(bào)告，并走訪多位礦區(qū)負(fù)責(zé)人和老礦工。現(xiàn)場(chǎng)核查礦區(qū)井口位置，并調(diào)查區(qū)域內(nèi)巖性、產(chǎn)狀及地面塌陷情況。通過相互驗(yàn)證礦區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)、采掘工程平面圖及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查礦井口等標(biāo)志性位置，確保資料可靠性，初步查明各煤礦采空區(qū)分布范圍和開采情況。

發(fā)水煤礦位于線路DK89+800—DK91+000左側(cè)約640m處，根據(jù)收集到的井上井下對(duì)照?qǐng)D、采掘工程平面圖和調(diào)查走訪得知，該礦始建于1999年，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3萬(wàn)t/年，2003年投入生產(chǎn)，2006年因漏水嚴(yán)重而閉礦。主要沿南西27°和北東45°，通過斜井運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷進(jìn)行斜井開采，最大采深標(biāo)高約-250.000m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)頂部農(nóng)田曾發(fā)生過塌陷，附近村民房屋有開裂現(xiàn)象。

勝利煤礦位于DK89+000—DK89+800左側(cè)約810m處，根據(jù)收集到的部分采掘工程平面圖和調(diào)查走訪得知，該井田走向長(zhǎng)2.5km，傾斜寬0.5km，面積約1.25km2，可采儲(chǔ)量149.1萬(wàn)t。1970年6月動(dòng)工興建，采用走向短壁，區(qū)內(nèi)后退式，回采工作面人工風(fēng)鎬落煤，溜槽自溜式運(yùn)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(biāo)高約-450.000m，于2005年關(guān)閉。

兆坤煤礦位于線路DK87+800—DK88+200左側(cè)約1 200m處，根據(jù)采掘工程平面圖和調(diào)查資料，采礦時(shí)間為2009年7月—2012年7月，采空區(qū)主要分東、西區(qū)域。東側(cè)區(qū)域采深標(biāo)高-200.000～-100.000m，開采范圍較小，南北向長(zhǎng)約200m，東西向長(zhǎng)約180m。西側(cè)開采范圍較大，采深標(biāo)高-450.000～-300.000m。由于礦區(qū)距離線位較遠(yuǎn)，且中間有水陽(yáng)江相隔，該煤礦采空區(qū)對(duì)鐵路工程無(wú)影響。

港口一礦位于線路DK91+300—DK93+400右側(cè)港口鎮(zhèn)，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(guān)閉停采。根據(jù)井上井下對(duì)照?qǐng)D和調(diào)查資料，港口一礦主要向遠(yuǎn)離線位的北西向開采，西側(cè)最大采深約500m，距離線位1 770m，東側(cè)采區(qū)距線位最近處約970m，開采深度僅150m。根據(jù)搜集資料和調(diào)查情況，結(jié)合煤層產(chǎn)狀，由于采空區(qū)距離線位較遠(yuǎn)，且向遠(yuǎn)離線位的西側(cè)開采，可判斷采空區(qū)對(duì)鐵路工程無(wú)影響。

烏石煤礦位于線路DK91+200—DK91+800右側(cè)約950m處，臨近港口一礦，開采時(shí)間為2009年4月—2012年4月，煤礦最大采深標(biāo)高約-250.000m，與港口一礦類似，遠(yuǎn)離線路方向開采，采空區(qū)對(duì)鐵路工程無(wú)影響。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民國(guó)時(shí)期，港口一礦附近淺部煤層存在私人小規(guī)模開采現(xiàn)象，由于年代久遠(yuǎn)，且無(wú)檔案資料，未能收集到相關(guān)圖紙報(bào)告。詳細(xì)調(diào)查走訪得知，私采小煤窯集中在DK92+900—DK93+200右側(cè)，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(jié)合附近礦區(qū)煤層傾向，推斷可能的煤層分布范圍及深度，與走訪結(jié)果基本一致，判斷私采小煤窯對(duì)鐵路工程無(wú)影響。

本線附近其他采空區(qū)，如金山礦業(yè)、灰山趙村煤礦等，根據(jù)收集到的礦區(qū)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采空區(qū)距線路較遠(yuǎn)，均>1 500m，開采深度<500m，且向遠(yuǎn)離線路方向開采，采空區(qū)對(duì)線路方案無(wú)影響。

通過分析各礦區(qū)資料可知，線路附近礦區(qū)以水陽(yáng)江分割，煤層產(chǎn)狀及厚度相差不大，左側(cè)礦區(qū)采煤向西開采，離線路越近越深。發(fā)水煤礦從搜集資料來(lái)看，礦區(qū)邊界距離線路最近，且不排除超采、越線開采的可能，需要進(jìn)一步核實(shí)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(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)和部分礦區(qū)西北側(cè)采掘平面圖，對(duì)線路工程影響較大的西南側(cè)礦區(qū)資料缺失，需采取物探和深孔鉆探進(jìn)一步查明采空區(qū)邊界。

線路右側(cè)煤礦采空區(qū)中，一方面開采方向遠(yuǎn)離線路方向，另外，開采邊界距線位相對(duì)較遠(yuǎn)，對(duì)鐵路工程影響不大，下一步將針對(duì)勝利煤礦和發(fā)水煤礦開展物探和鉆探工作。

3.2 物理勘探

為進(jìn)一步核查勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)范圍和收集資料的可靠性，并核實(shí)是否存在越界開采情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，采用高頻大地電磁測(cè)深法EH-4對(duì)采空區(qū)進(jìn)行物理勘探。根據(jù)采空區(qū)位置和礦區(qū)煤層產(chǎn)狀，在線路左側(cè)依次間隔一定距離布置6條縱測(cè)線和6條橫測(cè)線，共長(zhǎng)11km。測(cè)線布置如圖 2所示。

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

3.3 深孔鉆探

為進(jìn)一步確定對(duì)線路影響較大的勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)邊界、開采深度，在分析收集和調(diào)查資料及物探成果基礎(chǔ)上，共布置6個(gè)深孔進(jìn)行鉆探。布置原則如下：根據(jù)收集到的部分西北側(cè)采掘工程平面圖，勝利煤礦結(jié)合煤層走向和傾角，推測(cè)礦權(quán)范圍內(nèi)靠線路側(cè)，其余采空區(qū)位置及礦區(qū)外可能的煤層埋深，據(jù)此布置鉆孔位置，確定設(shè)計(jì)孔深，在采空區(qū)內(nèi)部、開采邊界內(nèi)外側(cè)各布置1個(gè)鉆孔。發(fā)水煤礦在采空區(qū)內(nèi)部布置1個(gè)鉆孔，驗(yàn)證礦區(qū)資料準(zhǔn)確性，在礦區(qū)邊界外靠線路側(cè)布置2個(gè)鉆孔，核查是否越界開采。

Jz-采空深1號(hào)鉆孔鉆至-562.060m，根據(jù)資料分析，假如此處有煤層，煤層標(biāo)高應(yīng)該在-550.000～-500.000m。鉆進(jìn)過程平穩(wěn)，巖芯連續(xù)完整，未揭示采空區(qū)，也未鉆到煤層，說明此鉆孔在礦區(qū)邊界外。Jz-采空深2號(hào)鉆孔揭示采空區(qū)位置標(biāo)高為-403.760～-396.460m，如圖3所示，空洞無(wú)充填物，漏水嚴(yán)重，礦區(qū)頂部10m范圍內(nèi)，巖芯較破碎，其上巖體完整，采空區(qū)位置與根據(jù)部分采掘工程平面圖推測(cè)的礦區(qū)開采深度基本一致。Jz-采空深3鉆孔揭示采空區(qū)位置標(biāo)高為-323.580～-315.180m，如圖 4所示，其中-315.480～-315.180m為采空區(qū)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(jìn)過程漏水嚴(yán)重。鉆探揭示的采空區(qū)位置與根據(jù)產(chǎn)狀推測(cè)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(qū)空洞

圖4 鉆孔3揭示的采空區(qū)及頂部支撐枕木

根據(jù)7號(hào)測(cè)線物探、鉆探成果，結(jié)合煤層產(chǎn)狀、已知采空區(qū)邊界及調(diào)查資料綜合分析，推斷勝利煤礦采空區(qū)邊界位于Jz-采空深1號(hào)與Jz-采空深2號(hào)孔之間，從已知礦區(qū)邊界順煤層走向延長(zhǎng)，煤層向線路方向逐漸尖滅，推測(cè)采空區(qū)邊界標(biāo)高為-465.000m，如圖5所示。

圖5 勝利煤礦采空區(qū)

發(fā)水煤礦Jz-采空深6號(hào)鉆孔揭示煤層位置標(biāo)高為-205.450～-202.250m，但沒有鉆到采空區(qū)，煤層位置與收集到的發(fā)水礦業(yè)采掘工程平面圖中的煤層底板等高線標(biāo)高一致，與物探成果吻合，推測(cè)此處為煤礦保護(hù)煤柱。對(duì)于Jz-采空深4，5號(hào)孔，根據(jù)煤層產(chǎn)狀推測(cè)，如果5號(hào)孔下有煤層，應(yīng)該在-350.000m附近，如果4號(hào)孔下有煤層，應(yīng)該在-450.000m附近，而5號(hào)孔鉆至-451.350m，4號(hào)孔鉆至-549.660m均未鉆到煤層與采空區(qū)，且?guī)r芯連續(xù)完整，說明發(fā)水煤礦采空區(qū)邊界在Jz-采空深5,6號(hào)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(duì)照?qǐng)D等資料一致。

圖6 發(fā)水煤礦采空區(qū)

4 采空區(qū)安全距離

4.1 計(jì)算方法及參數(shù)選取

煤礦大面積開采后，會(huì)形成移動(dòng)盆地，自采空區(qū)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(shè)計(jì)中，影響帶寬度一般以巖移角進(jìn)行估算，并增設(shè)一定寬度的圍護(hù)帶，圍護(hù)帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離，計(jì)算公式如下：

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

(1)

式中：L為圍護(hù)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(kuò)散角(°)；δ為巖體坍塌擴(kuò)散角或巖移角(°)，根據(jù)礦層走向與線位關(guān)系，可采用走向巖移角、傾向巖移角和斜向巖移角。

在相關(guān)規(guī)范、手冊(cè)中，最常用的巖移角量有破壞角、移動(dòng)角和邊界角，分別對(duì)應(yīng)移動(dòng)盆地的均勻下沉區(qū)、移動(dòng)區(qū)和輕微變形區(qū)。邊界角對(duì)應(yīng)移動(dòng)盆地的最外邊界，一般是以地表下沉值10mm為標(biāo)準(zhǔn)劃分的，而移動(dòng)角和破裂角對(duì)應(yīng)變形限值大[10]。高速鐵路對(duì)線下工程沉降變形要求高，無(wú)砟軌道路基工后沉降宜≤15mm，過渡段處差異沉降應(yīng)≤5mm，橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值為20～30mm，在上述3個(gè)移動(dòng)角中只有邊界角能滿足高速鐵路對(duì)沉降要求，因此，采用邊界角計(jì)算高速鐵路附近采空區(qū)的安全距離。

邊界角參考《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》，通過移動(dòng)角進(jìn)行計(jì)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(dòng)角；α為礦層傾角。

當(dāng)煤層走向與線位斜交時(shí)，需要采用斜交方向移動(dòng)角帶入式(2)，(4)中計(jì)算相應(yīng)邊界角，斜交移動(dòng)角計(jì)算如下：

(5)

(6)

式中：θ為線路走向與礦層走向夾角。

根據(jù)我國(guó)某些煤礦移動(dòng)盆地有關(guān)數(shù)值表，結(jié)合收集的礦區(qū)資料，參考《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》，采用類比法取值。走向移動(dòng)角δ取72.5°、上山方向移動(dòng)角γ取70°、下山方向移動(dòng)角β取53°。另外，本場(chǎng)區(qū)松散層一般厚10～30m，靠近線路處為水陽(yáng)江沖積層，多為粗圓礫土，松散層坍塌擴(kuò)散角φ取45°。

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》，圍護(hù)帶寬度應(yīng)根據(jù)受護(hù)對(duì)象的保護(hù)等級(jí)確定，如表1所示。

表1 鐵路各保護(hù)等級(jí)的圍護(hù)帶寬度

高速鐵路的保護(hù)等級(jí)為特級(jí)，圍護(hù)帶寬度取50m。

4.2 計(jì)算斷面

通過詳細(xì)的資料搜集和調(diào)查工作，輔以物探和深孔鉆探驗(yàn)證，查明對(duì)線路工程影響較大的勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)的范圍及開采深度。根據(jù)各礦區(qū)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(qū)邊界A點(diǎn)、發(fā)水煤礦采深最大礦區(qū)邊界B點(diǎn)和距離線位最近的C點(diǎn)，將礦區(qū)邊界作為采空區(qū)邊界進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表 2所示。

表2 采空區(qū)安全距離計(jì)算

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

5 結(jié)語(yǔ)

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

2)在收集調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)開采規(guī)模、煤層產(chǎn)狀及礦區(qū)與線路的相對(duì)關(guān)系，對(duì)各煤礦采空區(qū)對(duì)線路方案的影響進(jìn)行初步分析判斷。針對(duì)重點(diǎn)煤礦采空區(qū)，輔以必要的物探、深孔鉆探及計(jì)算分析，詳細(xì)查明采空區(qū)的開采范圍及影響邊界。

3)大面積煤礦采空區(qū)的安全距離應(yīng)根據(jù)線路走向與礦層關(guān)系，采用相應(yīng)移動(dòng)角進(jìn)行計(jì)算，高速鐵路由于對(duì)沉降變形控制嚴(yán)格，需采用邊界角進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)鐵路等級(jí)增設(shè)一定圍護(hù)帶寬度。

高速鐵路對(duì)沉降及穩(wěn)定性的要求非常嚴(yán)格，通過以上綜合分析與評(píng)價(jià)，本線繞避汪溪港口一帶煤礦密集煤礦采空區(qū)的影響范圍，但為確保工程安全，施工及運(yùn)營(yíng)過程中尚應(yīng)加強(qiáng)對(duì)臨近采空區(qū)工程的安全監(jiān)測(cè)和變形觀測(cè)。