高鐵緊鄰深厚采空區(qū)的綜合勘察技術(shù)及應(yīng)用★

岳建剛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

鐵路通過煤礦采空區(qū)時(shí)，一般以繞避為主，同時(shí)，通過保留一定寬度的安全礦柱。近年來，隨著高速鐵路跨越式發(fā)展，選線時(shí)不得不穿越或緊鄰采空區(qū)。采空區(qū)本身具有隱蔽性、復(fù)雜性，尤其對采深超過1 000 m的深厚采空區(qū)，如何準(zhǔn)確地查明其空間范圍及邊界，是鐵路工程地質(zhì)勘察的一大難題。

對于深厚采空區(qū)，深孔鉆探實(shí)施難度大、周期長、代價(jià)大，常規(guī)勘察以電法、磁法及地震勘探等手段為主，但受制于設(shè)備探測深度的局限性，很難準(zhǔn)確查明其采空區(qū)的空間分布特征。

本文以魯南高鐵古城煤礦為例，針對采深大于1 000 m的深厚采空區(qū)，創(chuàng)新勘察手段，通過InSAR技術(shù)、深源物探技術(shù)，圈定了采空區(qū)的范圍及規(guī)模，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證分析，確定采空區(qū)的周界，為鐵路選線奠定基礎(chǔ)[1]。

1 工程概況

1.1 采空區(qū)概況

華北某設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km/h的高速鐵路，沿線分布有多處采空區(qū)，煤層埋深1 000 m～1 200 m，厚約8 m～10 m，因沿線設(shè)站條件受限等原因，線路需穿行于煤礦采空區(qū)之間的夾心地，其中，DK276～DK280段左右兩側(cè)均分布有采空區(qū)(見圖1)，且近年來煤礦一直有采掘活動(dòng)，為確保鐵路工程建設(shè)及運(yùn)營安全，需準(zhǔn)確查明煤礦采空區(qū)的邊界及范圍[2]。

以線路右側(cè)古城煤礦為例，目前開采的煤層為3煤層，主要集中在南部的31,32采區(qū)，采深1 200 m，開采方式為條帶開采，全部采用綜采放頂煤工藝開采。

1.2 開采歷史

古城煤礦3107,3209工作面(如圖2所示)距離本線最近，其采空區(qū)對鐵路安全影響最大。根據(jù)竣工資料顯示，3107工作面距離線路最近約920 m，地面標(biāo)高約55 m，工作面標(biāo)高-1 080 m～-1 165 m，煤層厚度為8.6 m，傾向東南，傾角7°。該工作面自2017年1月開始回采，2018年3月回采結(jié)束，回采長度701 m。采用保護(hù)煤柱條帶式開采，綜采放頂煤一次采全高生產(chǎn)工藝。

3209工作面距離線路最近約835 m，南北走向，位于3107工作面東側(cè)300 m，地面標(biāo)高約55 m，工作面標(biāo)高-1 189 m～-1 196 m，寬度174 m，煤層厚度8.7 m，走向近南北向，偏北西向，傾向北東東。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。該工作面2017年9月開始回采，2018年9月停采，退采長度470 m，靠線路側(cè)的工作面停采時(shí)間已近36個(gè)月。

2 InSAR解譯

2.1 解譯方法

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用雷達(dá)反射，對地表典型點(diǎn)的反射與固定點(diǎn)的相位差，分析兩者之間的變形差，可宏觀上反映一定規(guī)模的地表變形特征和趨勢[3]。采空區(qū)形成后，地表必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，在以“山西”為代表的煤礦采空區(qū)研究中曾采用InSAR技術(shù)開展過采空區(qū)地表沉降監(jiān)測工作，并且取得了良好的效果，是當(dāng)前研究地表變形的有效技術(shù)手段。

2.2 數(shù)據(jù)源

針對古城煤礦采空區(qū)，根據(jù)《地面沉降干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，充分考慮大范圍、精細(xì)化監(jiān)測的應(yīng)用需求，結(jié)合煤礦開采歷史，選擇SARadarSat-2高分?jǐn)?shù)據(jù)及Sentinel-1號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源。共獲取了2016年—2018年共15期SARadarSat-2高分影像以及2019年—2020年共32期Sentinel-1號(hào)衛(wèi)星影像。

SARadarSat-2數(shù)據(jù)及Sentinel-1數(shù)據(jù)均無模糊、散焦、條帶、增益過度等現(xiàn)象存在；所有數(shù)據(jù)幅度影像圖覆蓋范圍保持一致，無跳變現(xiàn)象存在；且重復(fù)軌道數(shù)據(jù)影像相干性好，無數(shù)量缺失，數(shù)據(jù)公共區(qū)域滿足工作區(qū)監(jiān)測需求[4-5]。

2.3 解譯分析

古城煤礦位于DK276+350～DK279+926段右側(cè)，根據(jù)古城煤礦地表變形監(jiān)測報(bào)告，條帶開采下沉系數(shù)0.11～0.15，計(jì)算得到預(yù)估沉降量約0.8 m。古城煤礦3107工作面從2017年1月開采至2018年3月停采，3209工作面從2017年9月開采至2018年9月停采。

根據(jù)2017年—2018年度的年累積地面沉降等值線圖(如圖3(a)，圖3(b)所示)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1)2017年—2018年期間，古城煤礦3107及3209工作面采空區(qū)沉降漏斗中心向線路方向偏移。

2)地表沉降漏斗中心位于3107工作面的北面，3209工作面的西側(cè)，移動(dòng)盆地呈東西向展布，距離線路最近為1.06 km。沉降漏斗中心年累計(jì)沉降量持續(xù)保持在200 mm左右。

3)InSAR解譯分析成果與3107及3209工作面開采時(shí)間、開采時(shí)序、形態(tài)等資料相符，InSAR解譯成果可很好地反映采空區(qū)的時(shí)序特征。

根據(jù)2019年—2020年古城煤礦段(DK276+350～DK279+926)半月累計(jì)地面沉降等值線圖(如圖4(a),圖4(b)所示)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1)2019年—2020年3107及3209工作面已開采停止，此處沉降中心位置未變化，下沉量未明顯增大。

2)新的地表沉降漏斗中心已偏離線路，并向西移動(dòng)，逐漸與新開采區(qū)相對應(yīng)。

3)舊采掘面所在區(qū)域地面年沉降速率逐漸減緩，新采掘面所在區(qū)域年地面沉降速率加快。

2.4 解譯成果

1)根據(jù)2017年—2020年InSAR解譯成果，DK276+350～DK279+926段累計(jì)最大沉降量為0.5 m，與煤礦監(jiān)測資料中最大沉降0.546 m基本一致，說明古城煤礦在該時(shí)間段內(nèi)持續(xù)存在采掘活動(dòng)。

2)結(jié)合既有礦區(qū)資料，對比礦區(qū)開采面的分布和InSAR解譯的沉降等值線中心位置，每年的沉降漏斗基本和當(dāng)年主要開采面重合，且沉降漏斗基本與工作面中心一致，說明地表變形沉降是由采空引起。

3)2017年—2020年InSAR解譯采空區(qū)變形趨勢特征表明，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。

3 深源物探

3.1 探測方法

3.1.1 大噸位可控源寬線地震反射波法

高分辨率地震勘探技術(shù)可以滿足“數(shù)千米”勘探深度，煤層被采出后原有狀態(tài)與特征發(fā)生變化，采空區(qū)附近圍巖發(fā)生塌落、破碎，使得地層的波阻抗發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其地球物理特征的變化?？紤]勘探深度以及精度的要求，選用了當(dāng)前國際上最先進(jìn)的美國Mertz公司生產(chǎn)的大噸位28 t大能量可控震源車(如圖5所示)作為本次縱波地震勘探的激發(fā)源，實(shí)際有效勘探深度超過2 000 m。

3.1.2 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

可控源大地電磁法(CSAMT)是工程勘察中適用1 000 m深度以上最有效的探測手段，是通過人工控制場源的一種電磁測深法，它通過改變發(fā)射源的發(fā)射頻率達(dá)到測深目的，用測量相互正交的電場和磁場分量計(jì)算卡尼亞視電阻率和阻抗相位，根據(jù)反演電阻率和深度關(guān)系圖進(jìn)行地質(zhì)解釋[6]。

一般條件下，煤礦采空區(qū)形成后，會(huì)伴隨產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，地下水會(huì)將巖體中的鈣離子、鐵離子等溶離出來，采空區(qū)在視電阻率圖中表現(xiàn)為明顯低阻異常，而圍巖則表現(xiàn)為高阻狀態(tài)。本次CSAMT使用加拿大鳳凰地球物理公司V8多功能大地電磁儀(見圖6)，實(shí)際有效勘探深度大于1 500 m。

3.2 測線布置及解譯分析

根據(jù)周邊地形、地貌以及建構(gòu)筑物的分布特征，結(jié)合收集的采空區(qū)資料，寬線地震反射、可控源大地電磁勘探布置原則上保證覆蓋古城煤礦3107,3209工作面，以查明采空區(qū)邊界，同時(shí)兼顧探明采空區(qū)邊界以南近線路一側(cè)是否還存在其他的采空區(qū)、構(gòu)造及其發(fā)育情況。

3.2.1 地震反射波法

寬線地震反射共布設(shè)反射采集測線10條。其中南北向測線7條，覆蓋3107,3209工作面南北邊界，東西向測線3條，覆蓋工作面東西邊界。10條測線按四個(gè)寬線地震勘探區(qū)以及一個(gè)二維地震勘探測線組合，共計(jì)生成地震寬線剖面12條(見圖7)，測線長度22.7 km。

根據(jù)煤系地層各反射波的相對關(guān)系及波組特征來解釋煤層的賦存形態(tài)、斷裂構(gòu)造、采空區(qū)等地質(zhì)特征。解譯成果如下：

（4）基于GIS的選線工作輔助系統(tǒng)，其可靠性與計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性及現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息有直接關(guān)系，同時(shí)也會(huì)受到用戶自身選擇與判斷的影響。只有正確的選擇與判斷，才能充分發(fā)揮工具應(yīng)有的作用和效果。

1)本次地震勘探12條測線成果中僅NS505線、GCL4線未見明顯異常，其余10條測線均存在煤層反射波下錯(cuò)、波組缺失以及頻率變低等現(xiàn)象，反映為典型的煤礦采空區(qū)特征。

2)煤礦采空區(qū)南側(cè)邊界以北整體表現(xiàn)出明顯的采空區(qū)特征，本次勘探南北4條測線均在平面上穿越3107工作面并有部分測線進(jìn)入其北側(cè)的3201工作面。

3)南北向測線GCL302存在多處斷層構(gòu)造，與古城煤礦3209采面揭示斷層平面位置一致，綜合東側(cè)GCL4線勘探成果，表明GCL302以東無采掘作業(yè)面(見圖7)。

4)東西向測線NS505無明顯煤礦采空區(qū)異常反應(yīng)，推斷古城煤礦采掘工作面向南未穿越NS505測線(見圖8)。

3.2.2 可控源大地電磁法

可控源大地電磁(CSAMT)共布設(shè)測線6條(見圖9)，東西向布置1條，南北向布置5條。配合地震反射波法綜合確定采空區(qū)異常，測線長度11.7 km。

根據(jù)測線的視電阻率剖面來分析區(qū)域地層背景、基巖完整性等地質(zhì)特征。解譯成果如下：

1)探測范圍內(nèi)整體電阻率呈層狀分布，與區(qū)域地層地質(zhì)背景一致，該段主要是以二疊系、石炭系泥巖、砂巖為主，呈層狀構(gòu)造。

2)從電阻率分布規(guī)律來看，中淺層(500以淺)地層電阻率較低并且縱橫向變化不大，反映500 m以上基巖較完整。

3)CSAMT5-9～CSAMT5-17段中深部整體電阻率極低，反映為典型的煤礦采空區(qū)特征，推斷為3209采空區(qū)異常。

4)CSAMT5-22～CSAMT5-28段在中深部仍存在明顯的低電阻率異常特征，推斷為基巖破碎異常區(qū)(見圖10)。

3.3 解譯成果

通過對比以上兩種深源物探成果，對古城煤礦3107及3209工作面采空區(qū)范圍進(jìn)行綜合分析(見圖11)。

1)通過寬線地震反射及可控源大地電磁探測，查明了探測區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)異常范圍，并圈定了3109及3207采空區(qū)的范圍及邊界；且兩種方法對采空區(qū)解譯的范圍基本一致，說明采空區(qū)的勘探范圍準(zhǔn)確有效。

2)由于采空區(qū)電性在空間分布上具有明顯的體積效應(yīng)，受電磁方法理論限制，CSAMT圈定采空區(qū)邊界較地震反射圈定的邊界偏大。

3)寬線地震反射勘探采用了大能量(28 t可控源)、小道距(5 m)、全數(shù)字檢波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，勘探精度高于常規(guī)煤田地震反射勘探精度，理論上水平分辨率可達(dá)2.5 m、縱向分辨率5.0 m。

4)對比采空區(qū)綜合物探解釋成果與古城煤礦采掘工程平面圖揭示采空區(qū)平面位置，地震反射圈定3107,3209采面采空區(qū)邊界控制點(diǎn)較采掘工程平面采掘邊界大，這與實(shí)際煤礦采空區(qū)“冒落帶”發(fā)育范圍有直接關(guān)系，總體來看在采空區(qū)長軸方向“冒落帶”變形范圍更大，這也很好的證明了地震反射勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性與可行性。

4 調(diào)查監(jiān)測

采空區(qū)形成后往往引起地表一定程度的變形，主要表現(xiàn)為房屋、道路等建構(gòu)筑物開裂。根據(jù)現(xiàn)場3107工作面附近地表調(diào)查，采空區(qū)地表范圍內(nèi)道路可見變形主要為裂縫，裂縫寬度2 mm～30 mm，裂縫長度從幾米到幾十米不等；房屋主要為豎向裂縫，裂縫寬度1 mm～5 mm[7]。

1)2019年7月～8月，通過現(xiàn)場走訪、問詢，對古城煤礦3107及3209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 m～500 m水平范圍內(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 mm～5 mm(見圖12)?，F(xiàn)場調(diào)查的房屋裂縫最遠(yuǎn)點(diǎn)至3209工作面邊界水平距離約400 m。地表變形量較小，村莊居民正常生活、道路交通和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未受影響。

2)2020年5月、8月到現(xiàn)場再次進(jìn)行地表變形調(diào)查，采空區(qū)中心種植玉米地，整齊規(guī)劃，村民安居樂業(yè)，裂縫(紋)無加劇，范圍也未擴(kuò)展，也未發(fā)現(xiàn)新的變形點(diǎn)，與采空區(qū)的開采時(shí)序吻合對應(yīng)。

3)《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(hào))中對于長度或者變形縫區(qū)段內(nèi)長度不大于20 m的磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)由輕微至嚴(yán)重分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四個(gè)等級(jí)，其中Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)地表變形值的限值為：水平變形ε≤±2 mm/m，傾斜i≤±3 mm/m，曲率K≤±0.2×10-3/m。

4)3107及3209工作面南側(cè)地表建筑物變形值均在Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)范圍內(nèi)，Ⅰ級(jí)損壞區(qū)的影響范圍遠(yuǎn)離線路，距離Ⅰ級(jí)損壞區(qū)影響邊界420 m(見圖13)。

5 結(jié)語

地質(zhì)選線對于鐵路走向具有重要的意義，本文以古城煤礦3107和3209工作面為例，通過“空-源-地”三位一體的手段，即從InSAR的高位“空”中影像分析地表區(qū)域變形特征，利用可控源音頻大地電磁法和大噸位可控源地震縱波反射法的深層物理“源”地球物理勘探方法，查明了古城煤礦深厚采空區(qū)的范圍及邊界，同時(shí)通過“地”表建構(gòu)筑物的調(diào)查研究，對采空區(qū)的范圍邊界進(jìn)行驗(yàn)證。勘探獲取的煤礦采空區(qū)邊界基本與竣工資料一致，確保了采空區(qū)的范圍合理，為下一步鐵路選線及采空區(qū)評(píng)價(jià)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)[8-9]。

1)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 m～920 m；3209工作面竣工資料顯示邊界距線路835 m，物探揭示煤層及異常區(qū)距線路830 m～835 m；物探揭示的采空區(qū)邊界與竣工資料顯示一致，說明深源物探方法能夠較好地適應(yīng)超深采空區(qū)的勘察。

2)InSAR解譯中心沉降區(qū)距離線路約1 000 m，2018年底 的InSAR解譯的中心沉降區(qū)距離線路約1 100 m，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。

3)地面調(diào)查房屋裂縫、裂紋(線路位于Ⅰ級(jí)損壞區(qū)影響邊界外420 m)與采空區(qū)的范圍也有較好的對應(yīng)性，表明3107及3209采空區(qū)位置是比較準(zhǔn)確、可靠的。