某客運專線大面積采空區(qū)勘察評價

韓會勛

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

某新建客運專線穿越遼寧本溪煤田。該煤田開發(fā)利用歷史較長，采空區(qū)密布且雜亂。為科學規(guī)劃線路，確保鐵路建設(shè)運營安全，需對該客專DK53+200～DK67+200穿越采空區(qū)段落進行勘察評價研究工作[1]。

1 煤田地質(zhì)及采空區(qū)概況

1.1 煤田地質(zhì)

本溪煤田地層發(fā)育比較完整，地層從老到新，古生界、中生界和新生界均有發(fā)育。本溪煤田含煤地層為石炭系，二迭系太原組和山西組地層[2]。太原組地層厚度約100 m，含煤7層，其中主采煤層為六、七、八號煤。六號煤為焦煤，全區(qū)均有發(fā)育，局部可采。七號煤和八號煤為焦煤和貧煤復合煤層，全區(qū)發(fā)育且可采。煤層頂?shù)装逡灾写稚皫r、砂質(zhì)頁巖及片狀頁巖為主。山西組地層厚度約156 m，含煤7層，可采煤層為一、二、四、五層。煤層頂板為層狀黑色細砂巖、灰色頁巖，底板為灰色粗砂巖、砂質(zhì)頁巖和頁巖，煤層結(jié)構(gòu)簡單，較穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育，局部可采。本溪井田煤層和煤質(zhì)情況見表1。

表1 本溪井田煤層和煤質(zhì)情況

1.2 采空區(qū)概況

經(jīng)搜集查閱各開采礦井圖紙技術(shù)資料，確認客專DK53+200～DK67+200段區(qū)域內(nèi)的地下采空區(qū)主要由原本溪煤礦及彩屯煤礦在1960年至1986年開采形成，總面積為2.86 km2，分布在以下5個區(qū)域(A/B/C/D/E)。

①A采空區(qū)

位于客運專線正下方，西部邊界為彩屯大橋保護煤柱，面積為1.35 km2。

②B采空區(qū)

位于客運專線以北162 m，南部邊界為公路橋保護煤柱，面積為0.58 km2。

③C采空區(qū)

位于客運專線以北418 m，南部邊界為乙線橋保護煤柱，西部邊界為甲線保護煤柱，面積為0.26 km2。

④D采空區(qū)

位于客運專線以西645 m，面積為0.10 km2。

⑤E采空區(qū)

位于客運專線正下方，東部邊界為公路橋保護煤柱，面積為0.57 km2。

各采空區(qū)與線路位置關(guān)系見圖1。

圖1 評價線路與各采空區(qū)位置關(guān)系

表2為各采空區(qū)煤層開采技術(shù)參數(shù)。

表2 采空區(qū)煤層開采技術(shù)參數(shù)

2 采空區(qū)勘察

采用鉆探和孔內(nèi)電視相結(jié)合的綜合勘察方法，用以判定煤層開采情況、煤柱變形破壞情況、上覆巖層完整性、采空區(qū)充填情況，進而分析驗證采空區(qū)的“三帶”分布。鉆孔位置如圖1所示。

2.1 1號鉆孔主要勘探成果

(1)煤層及采動情況

鉆探揭示2層煤：391.2～392.6 m為頁巖夾薄煤層；451.3～458 m為煤層，頂、底板均為砂巖。根據(jù)標志層對比判定，兩煤層分別為五號煤和七號煤。

五號煤層的鉆進過程中無掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，且彩屯礦和本溪礦均未在該區(qū)域開采過五號煤層，鉆孔電視也未顯示有采動跡象。

七號煤層的鉆進過程中無明顯掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，進尺速度較快，漏漿量略增，煤層取芯齊全，破碎呈塊狀。依此判定，該處為保護煤柱范圍，未開采，與原搜集資料相符。

(2)保護煤柱變形破壞情況

1號鉆孔揭示煤柱為采區(qū)殘留煤柱，寬40～65 m。鉆孔位于煤層傾向上，距離C采空區(qū)邊界8.0 m。根據(jù)礦山壓力理論，鉆孔處于煤柱塑性核心區(qū)內(nèi)?？變?nèi)電視(見圖2)顯示，側(cè)壁巖層連續(xù)，無明顯垮落和裂隙，說明煤柱未垮落破壞。

圖2 勘1孔電視監(jiān)測成像

(3)上覆巖層完整性

15～235 m以侏羅系砂巖為主，巖芯較完整，平均取芯率約為65%。說明該段處于C采空區(qū)彎曲帶中。235 m以下為以砂巖、頁巖、泥巖等為主的石炭—二疊系含煤地層，巖芯破碎程度顯著增加，平均取芯率約為40%。375.5 m深度附近發(fā)育厚層頁巖，巖芯極破碎，說明該段受到C采空區(qū)裂隙帶的影響。

2.2 2號鉆孔主要勘探成果

(1)煤層及采動情況

鉆孔處于線位右側(cè)約10 m位置(E采空區(qū)內(nèi))，共揭示5層煤，賦存于335.2～445.0 m深度范圍內(nèi)。煤層頂、底板多以頁巖為主，底層煤頁巖底板以下見厚層灰?guī)r。根據(jù)標志層對比判定，5個煤層分別為三、四、五、六、七號煤。

七號煤層的鉆進過程中，掉鉆、卡鉆現(xiàn)象不明顯，進尺較快，漿液大量漏失，巖芯極破碎，夾有大量煤屑。該區(qū)域為彩屯煤礦東四采空區(qū)，采空高度約4.6 m。煤層底板高程為-335 m，埋深445 m左右。

(2)采空區(qū)充填狀態(tài)

七號煤層采空區(qū)鉆進過程中無明顯掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，采空區(qū)上覆砂巖層巖芯完整?？變?nèi)電視顯示，側(cè)壁巖層連續(xù)，無明顯空洞、裂隙存在。但鉆進過程中進尺較快，漿液大量漏失，巖芯極破碎，說明采空區(qū)充填物呈松散狀(如圖3所示)。

圖3 勘2孔電視監(jiān)測成像

(3)上覆巖層完整性

15～235 m以侏羅系砂巖為主，巖芯較完整，平均取芯率約為65%，無連續(xù)漏水現(xiàn)象，說明該段處于E采空區(qū)彎曲帶中。

240～260 m為厚層頁巖。以下為以砂巖、頁巖、泥巖為主的石炭—二疊系含煤地層，巖芯破碎程度顯著增加，平均取芯率約為40%，說明該段受到E采空區(qū)裂隙帶的影響。

2.3 采空區(qū)“三帶”分布

本溪煤礦和彩屯煤礦分別于1963年和1966年采用巷道觀測法和鉆探?jīng)_洗液消耗量法進行了覆巖破壞“三帶”高度的探測。探測得出，本溪井田覆巖垮落帶高度為煤層采厚的1.43～3.9倍，導水裂縫帶高度為煤層采厚的15.6～29.7倍，結(jié)果見表3[1]。鉆孔和孔內(nèi)電視揭示的“三帶”分布與該結(jié)果基本相符，數(shù)據(jù)成果可應(yīng)用于采空區(qū)評價。

表3 本溪井田覆巖破壞“三帶”高度

3 采空區(qū)評價

該采空區(qū)為典型的“重復采動老采空區(qū)”，移動變形機理復雜，應(yīng)采用多種方法相互印證對比的綜合評價方式[3-8]。

3.1采空區(qū)移動變形延續(xù)時間評價

評價區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)埋深249～869 m，形成時間為1960年至1986年。根據(jù)該采空區(qū)移動變形延續(xù)時間規(guī)律，采空區(qū)集中移動變形時間為3.5～5.5a，集中移動期已結(jié)束，現(xiàn)處于殘余變形階段(見表4、表5)。

表4 本溪煤田集中移動變形延續(xù)時間

表5 各采空區(qū)影響地表移動變形延續(xù)時間

3.2 地表移動影響范圍評價

圖4 軟件簡介

采用“鐵路下伏采空區(qū)變形預計及可視化分析系統(tǒng)(RUGPAS1.0)”進行殘余變形計算(見圖4)，計算結(jié)果為總殘余變形量。

其控制數(shù)據(jù)輸入、預計參數(shù)輸入、殘余變形參數(shù)輸入如圖5～圖7。

圖5 控制數(shù)據(jù)輸入界面及數(shù)據(jù)

圖6 預計參數(shù)輸入界面及數(shù)據(jù)

圖7 殘余變形參數(shù)輸入界面及數(shù)據(jù)

移動變形等值線繪制與三維可視化顯示如圖8、圖9。根據(jù)圖8中線路與沉降區(qū)位置關(guān)系可知，客運專線引入本溪站必須穿越沉降區(qū)。受曲率半徑限制，采用城際鐵路有砟時速160 km的標準進行設(shè)計。因此，對采空區(qū)沉降變形進行準確預測，使線位在變形量較小的區(qū)域通過成為評價的關(guān)鍵點。

圖8 RUGPAS繪制殘余變形下沉等值線成果

圖9 采空區(qū)變形三維可視化顯示

通過RUGPAS將下沉值放大1 000倍后的三維可視化顯示(圖9)，可更直觀的看出方案雖然受到兩個采空區(qū)的共同影響，但未通過最大沉降區(qū)，說明采用的采空區(qū)選線方法是成功的。

城際鐵路有砟時速160 km標準一般路基地段要求工后沉降量≤200 mm，年沉降量≤50 mm。根據(jù)圖10可知，客專沿線最大殘余沉降量為230 mm。按照沉降速度呈指數(shù)遞減規(guī)律的原則計算，至客專鋪軌前已完成沉降約108 mm，最大年沉降量約6 mm，剩余沉降約122 mm，滿足工后沉降量要求。

圖10 客專采空區(qū)沿線沉降量剖面

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

本溪煤田煤層在開采深度與煤層采出厚度比<30條件下，可導致裂隙帶發(fā)展到地表，造成地表出現(xiàn)非連續(xù)變形和塌陷破壞[9-13]。客專DK53+200～DK67+200段評價區(qū)域內(nèi)5個采空區(qū)深厚比在82～362之間，裂縫帶巖層(第四系表土層按20 m計)上方有厚度157～777 m處于整體彎曲狀態(tài)的巖層，地表不具備突然塌陷的條件。各采空區(qū)覆巖彎曲帶巖層厚度計算結(jié)果見表6。

表6 采空區(qū)覆巖彎曲帶巖層厚度計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)利用資料搜集、調(diào)查、鉆探、孔內(nèi)電視成像等綜合勘察手段，查明了采空區(qū)平面及空間分布形態(tài)，為科學規(guī)劃選線提供了有力的支撐。

(2)利用統(tǒng)計、計算、三維可視化等綜合評價方法，分析采空區(qū)移動變形的時空規(guī)律，為鐵路建設(shè)、運營、維護提供了強大的數(shù)據(jù)支持，并起到了探索“鐵路下伏采空區(qū)殘余變形綜合評價”的作用。

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