蕭縣穆集煤礦礦井抽水對鄭徐客專沉降穩定的影響

賈智富

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030000)

1 工程概況

鄭州至徐州客運專線位于河南省、安徽省和江蘇省境內，西起河南省鄭州市，沿途經過安徽省，東至江蘇省徐州市。線路西連鄭州樞紐，與鄭西客運專線及京廣客運專線(在建)銜接，東接徐州樞紐，與京滬高速鐵路銜接。線路全長近362km。設計速度目標值350km/h，軌道類型為無碴軌道，正線數目為雙線。鄭徐客專絕大部分地處黃淮沖積平原上，地勢平坦、開闊，在通過安徽省蕭縣穆集煤礦上方時，線路以橋梁形式通過。

1.1 地層巖性

礦區范圍被第四系地層所覆蓋，鉆孔揭露基巖大多是上古生界二疊系地層，有個別鉆孔揭露到石炭系太原組頂部地層，現將區內所見地層自老至新簡述如下:

1)石炭系(C):主要由灰巖、泥巖、砂巖、粉砂巖及煤層組成，屬海相和過渡相沉積，揭露最大厚度15.6 m。

2)二疊系(P):上部以雜色泥巖、粉砂巖為主，偶見炭質泥巖及波煤層。中下部以砂巖為主，夾粉砂巖、泥巖，含煤1層～4層，含煤系數為 1%，層厚531.28 m～1 453.69 m，平均992.49 m。

3)第三系(N):以沖洪積～殘坡積相礫石、砂礫、粘土礫石、粘土質砂為主，厚度50.60 m～70.42 m，平均60.51 m。

4)第四系(Q):巖性以土黃色、棕黃色及少量棕紅色粘土、砂質粘土為主，夾0層～3層薄層砂和粘土質砂。厚度40.50 m～50.80 m，平均45.65 m。

1.2 地質構造

本區位于徐宿弧形構造外緣的大吳集復式向斜的東翼，形成于印支～燕山期，并為后期構造運動和復雜化。區內主要構造線呈北東～北北東方向展布，褶皺為主要形式，斷裂構造破壞了褶皺形態的完整性。

紅柳樹背斜是本區的主要構造，幾乎貫穿南北，背斜軸走向長約6km，軸向NNE～NE向，為一寬緩型背斜，兩翼傾角一般為8°～15°。

1.3 水文地質

按含水介質、孔隙類型和地下水賦存條件，工程沿線的地下水可劃分為松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水。

1)松散巖類孔隙水含水巖組的巖性主要由全新統及上更新統粘性土、粉細砂及粉砂組成。巖相、巖性不論在水平方向上，還是在垂直方向上變化均較大，一般具上細下粗的“二元結構”或粗細相間的“多元結構”。單井涌水量100 m3/d～500m3/d。

2)紅層孔隙裂隙水主要分布于區域的北部，含水層為第三系礫巖、砂質泥巖、粉砂巖。由于“紅層”裂隙不發育，其富水性差，單井涌水量小于100 m3/d。水化學類型為Cl·SO4-Na，礦化度大多小于 2.0g/L。

2 礦井抽水對鄭徐客專沉降穩定影響的評估

2.1 定量計算

在地下開采煤層垮塌情況下，導致隔水層破壞，潛水層水流沿移動角向井內滲流。根據《建筑與市政降水工程技術規范》［2］，可以求出安徽省蕭縣穆集煤礦區抽水時距離抽水點的水平距離與水位降深的關系曲線，詳見圖1。

圖1 礦井抽水時距離—降深曲線圖

潛水完整井:

其中，S為距井排處的水位下降值，m;H為潛水含水層厚度，m;h為降水井排處的含水層厚度，m;L為任一點至井排的距離，m;R為抽水影響半徑，m;K為滲透系數，m/d。

在多層含水層條件下，當地下水只在潛水含水層變化，其他含水層水位或水頭不變，潛水水位大面積下降前后，各土層均達到穩定滲流狀態。抽水引起的地面最終沉降量計算公式如下所示［3］:

為了滿足S地面沉降≤15mm的高鐵規范要求，參考安徽省蕭縣穆集煤礦區地層土工試驗的物理力學參數(見表1)，可以求出擬建鐵路中心處允許水位降深Δh≤3.1m。

表1 安徽省蕭縣穆集煤礦區物理力學指標統計表

由礦井抽水時距離—降深曲線圖以及潛水含水層垮塌半徑可知，鄭徐客專線路中心線距離礦井的水平安全距離為鐵路中心至保護帶邊界的距離+抽水影響半徑+虛擬抽水井至礦區邊界的水平距離=439m。

2.2 數值模擬分析

采用基于有限差分法的FLAC軟件［4］，對蕭縣穆集煤礦抽水引起地表位移特征進行數值模擬，分別考慮在距離鐵路中線左右側不同距離抽水情況對鐵路沉降的影響，作出水平位移等值線圖和垂直位移等值線圖，分析其位移特征，進行穩定性評價。

對線路左側的蕭縣穆集煤礦進行抽水，在距離鐵路中心397m時，保護帶邊界最大水平位移和最大豎直位移圖見圖2，圖3。

圖2 左側抽水引起地表水平位移等值線圖

圖3 左側抽水引起地表豎直位移等值線圖

線路左側礦層抽水引起地表沉降量見表2，由表中數據可知，左側抽水在距離鐵路中心397m時，線路保護帶邊界最大豎向沉降量為13.8mm，滿足高鐵要求的15mm沉降量。因此抽水引起的線路左側安全保護距離為397m。

表2 線路左側礦層抽水對地表的沉降影響值

同理，對線路右側煤層抽水范圍進行試算，當距離鐵路中心415m時，地表最大水平位移和最大豎直位移圖見圖4，圖5。

圖4 右側抽水引起地表水平位移等值線圖

圖5 右側抽水引起地表豎直位移等值線圖

線路右側礦層抽水引起地表沉降量見表3，由表中數據可知，右側抽水在距離鐵路中心415m時，線路中心最大豎向沉降量為14.7mm，滿足高鐵要求的15mm沉降量。因此抽水引起的線路右側安全保護距離為415 m。

3 初步治理方案

基于上述礦井抽水對地表沉降穩定影響的研究，提出以下治理采空區抽水對地表穩定影響的初步方案。

表3 線路右側礦層抽水對地表的沉降影響值

1)采用充填采礦法:利用適當的填充材料，填補采礦所留下的采空區，可以大大減少地面巖層的移動，減小地面塌陷的范圍和幅度，并且可以使巖層移動過程平緩發展。采用充填采礦法，可以增加采空區的支撐作用，對覆巖和礦柱進行維護，防止采空區的大規模冒落。對控制地表變形的控制方面具有重要意義［5］。

2)減少礦井抽水的影響:礦層開采后應及時對周圍巖土采取封堵措施，防止地下水進入工作區，這樣就可以有效減少礦井的抽水量，降低由于抽水引起的地面沉降影響。

3)協調開采:當同時開采幾個礦層時，要合理布置采空區，使其錯開一定距離，以使引起的地表拉伸和壓縮變形相互抵消或部分抵消，從而減少地面的變形量。

4 結論及建議

1)綜合以上分析，分別采用理論分析及FLAC數值模擬分析兩種方法求出礦層抽水引起的高鐵安全保護距離，可以看出，理論分析法計算結果比FLAC數值模擬法計算的安全距離小，考慮到數值模擬參數的選擇是利用現有搜集資料分析而得，當巖層的物理力學性質參數稍有變化時，對評估結果影響較大，故本次安全距離評估以理論分析法為準，以數值模擬方法為參考，得出蕭縣穆集煤礦抽水引起鄭徐客專安全保護距離為439 m。

2)依據《鐵路運輸安全保護條例》規定:“在鐵路線路兩側路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起各1 000米范圍內，禁止從事采礦作業。”本文通過多種方法對比分析礦層開采抽水對鐵路安全保護距離的影響，使鐵路的修建盡量少壓覆煤層，減小不必要的礦產壓覆，具有非常大的現實意義和經濟效益。

3)建議礦區采取相應措施減少由抽水引起高速鐵路沉降穩定的影響，并建立觀測網監測地表變形情況，避免地面沉降不均勻對鐵路工程的影響，確保鐵路的運營安全。

［1］Holzer，T.L.Preconsolidation stress of aquifer systems in areas of induced land subsidence［J］.Water Resour.Res.，1981，17(3):693-704.

［2］JGJ/T 111-98，建筑與市政降水工程技術規范［S］.

［3］周載陽.地下水開采引起地面沉降的機理研究［J］.工程勘察，2012(8):37-45.

［4］劉 波，韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005:98-124.

［5］紀萬斌.工程塌陷與治理［M］.北京:地震出版社，1998:136-144.