某铁路采空区地质选线研究

2016-08-01武涛

铁道勘察 2016年3期

关键词：露天矿物探采空区

武　涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

某铁路采空区地质选线研究

武涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

摘要某铁路穿越平庄煤田矿区，矿区内分布有大量采空区。研究了东端引入方案、中穿方案及西端引入方案，其中中穿方案地质条件复杂，存在采空、地面沉降(塌陷)、边坡稳定性等多种工程地质问题。对中穿方案的可行性进行重点研究，针对不同地质问题进行了地质调查、物探测试、钻探验证、InSAR沉降分析、沉降盆地计算及边坡稳定性分析等专项研究。根据研究结论，推荐中穿方案，并提出措施意见。

关键词中穿方案采空区边坡稳定性InSAR沉降分析

本项目位于内蒙古自治区东部和辽宁省西部地区，沿线经过喀左县、建平县、宁城县、喀喇沁旗、元宝山区、红山区、松山区七个县级及以上行政区。铁路等级为双线客运专线，设计时速为250 km，正线线路长度166.078 km，桥隧长100 km，占比为60.2%。

1方案概况

线路于宁城县穿越平庄煤田，线下分布采空区。在综合考虑地形、采空区分布、平庄站位的选择等方面，研究了三个方案，分别为东端引入方案、西端引入方案、中穿方案，见图1。

图1　方案位置

2方案比选

2.1方案评价

各方案的优缺点见表1。

从表1可以看出，东端引入方案随线路长度及投资最具优势，为推荐方案，但投资较大，线路长度大，且与地方规划发展相悖，为此研究中穿方案的可行性。

2.2中穿方案存在的问题

中穿方案于露天煤矿夹缝及平庄煤田矿区内穿过，见图2。两侧露天矿相距约1.8 km，西侧露天矿开挖最大深度约200 m。根据当地地质灾害防治规划图，中穿方案于地质灾害危险区夹缝内穿过，两侧危险区边界间距约800 m，调查期间，局部地段可见裂缝。

表1　方案优缺点比较

图2　评价线路位置

中穿方案对线路影响主要有三个方面：(1)线下采空情况；(2)采空沉降情况；(3)两侧露天矿边坡稳定性及其失稳后影响范围。因此，对中穿方案进行重点研究。

3中穿方案可行性分析

针对中穿方案存在的地质问题，采用了地质调绘、物探测试、钻探验证等不同勘察手段，以及InSAR沉降监测分析、沉降计算及边坡稳定性分析等方法分别进行研究。

3.1采空分析

(1)地层岩性

平庄煤盆地基底为前震旦系变质岩，在盆地内沉积了中生界和新生界地层。特别是盆地内侏罗系上统碎屑沉积岩普遍发育，白垩系下统孙家湾组、第三系在盆地内呈不整合于下伏地层之上，并有多种岩浆活动。区域地层厚度、岩性特征及接触见表2。

表2　综合地质柱状

(2)区域地质构造

平庄煤田位于受乃林—平庄—元宝山—桥头等雁行斜列的聚煤盆地内，区内构造、断层发育。线位行于背斜核部，同时受温泉断裂带控制，西侧煤层断出地表，核部及东侧煤层出露地表，煤层已被剥蚀，见图3。

图3　平庄煤田地质图

(3)物探及钻探情况

为进行方案验证，进行了大量的物探及钻探工作，共完成浅层地震反射测线20条，长度14 452 m；共完成钻孔18孔/3 984 m。

物探验证：

物探勘察采用以浅层地震反射法为主，天然源大地电磁为辅的技术方案。设备包括S-land地震勘探系统、MTU5电磁采集系统MTK。

在CVK113+500～CVK116+000工区，通过浅层地震反射物探工作，共解释推断了11处松散塌陷区或松散岩层区及3处主要断裂带，未发现采空空洞。

钻探验证：

本区钻孔中仅少量钻孔遇煤线，最厚煤层仅0.9 m，钻探过程中未发现任何掉钻现象。

验证区内地质构造活动活跃，断层发育，存在一小型背斜，受构造及断层影响，线路附近含煤地层出露，已被剥蚀。通过物探测试、钻探验证，线路附近无可开采煤层，且线下不存在采空区及巷道。但受西侧露天矿及东侧永兴、古山煤矿煤层开采的影响加之地质构造活动，地下岩体受扰动较大，岩体破碎，裂隙发育。

3.2采空沉降分析

考虑到线路两侧分布数个煤矿，采用调查、InSAR沉降监测分析、沉降计算等方法对线路附近煤矿采空沉降进行分析。

(1)采空地面塌陷调查

线位两侧分布有山前村煤矿、盛隆煤矿、兴安煤矿大小煤矿数十个，开采历史可追溯到解放前，20世纪90年代煤矿整合为永兴煤矿、太平地煤矿、大黑山煤矿、西露天煤矿、全盛炭质泥岩矿等，其中永兴煤矿对线路影响大。该矿范围内赋存4、5、6三个富煤层，其中6组煤为主要可采煤层，平均可采厚33.63 m，采用立井单水平开拓方式，开采高程为+535～250 m，回采率高达63.9%。

勘测期间，对线路方案经过的地区进行了现场地面塌陷情况调查，地面塌陷主要发生在西露天街道、全盛炭质泥岩矿周围及永兴煤矿西北。

根据分析，线路附近房屋裂缝、地表裂缝主要为露天矿放坡导致，裂缝范围扩展至其矿界外，且目前仍在发展。

(2)InSAR沉降监测分析

本次勘察将InSAR监测系统性用于区域地面沉降监测，主要解译了2009-2014年该地区的SAR图像及数据。

通过自由组合构建得到19个符合条件的干涉对，进行InSAR数据预处理，SVD分解后，得到最终的沉降反演结果(如图4所示)。

图4　2009～2011年累计沉降量

经过对数据的处理，在监测区域共发现8个区域沉降漏斗，三个设计方案都有效闭绕了沉降区域。其中F区的累积沉降量较大，距离中穿方案东侧约1.2 km。

(3)采空沉降分析

根据现场调查，G1-G6点为现场调查明显沉陷点，位置坐标及计算参数见表3、表4。

表3　计算点坐标

表4　采空区移动参数

塌陷边界：

塌陷边界距线位的最短距离为608 m(见表5)。

表5　塌陷边界

移动盆地计算结果：

计算沉降等值线变形量10 mm的等值线离线位最短距离约566 m(见图5)。

图5　沉降等值线

3.3露天矿边坡稳定性分析

根据现场地形地貌、地层条件、煤矿开采情况结合线路位置选取了5个代表性断面进行计算，计算参数见表6。

表6　边坡稳定性分析主要岩层参数取值

(1)1-1剖面和2-2剖面采用Slide软件中Bishop法进行计算，边坡的整体稳定安全系数分别为1.07和1.03，边坡发生潜在整体滑动的影响范围为650 m和240 m。

(2)3-3剖面采用FLAC软件进行分析，经过强度折减法计算，边坡整体上处于临界状态，局部稳定安全系数为0.91，存在垮塌的风险，但水平影响范围相对较小；4-4剖面采用Bishop法进行分析，边坡同样处于临界状态，局部沿软弱层稳定安全系数为0.968，也存在局部垮塌的可能(见图6、图7)。

图6　3-3剖面计算结果

图7　3-3剖面破坏示意

(3)由于坡度相对较陡，5-5剖面采用Slide软件中Bishop法和摩根斯顿-price法分别进行计算，考虑最不利软弱层参数进行计算，发现该边坡整体处于不稳定状态，在降雨等外部不利因素影响下容易发生整体性滑动或崩塌，水平影响距离最大达到400 m。

4结论及建议

采用地质调绘、物探测试、钻探验证等不同勘察手段，以及InSAR沉降监测分析、沉降计算及边坡稳定性分析等方法对中线方案进行验证分析，具体结论如下。

4.1结论

(1)中穿方案线路通过区为小型背斜构造近核部位，受断层及地质构造控制，线路通过区含煤地层被剥蚀，下方主要为侏罗系上统杏园组地层，夹少量煤线，不具开采价值。通过物探测试及钻探验证，线路附近无可开采煤层，无采空区及巷道。

(2)基于InSAR监测数据评价，共发现8个区域沉降漏斗，最大累计沉降量为0.9 m，最大沉降速率0.6 m/年，目前的设计方案有效避开了上述沉降区域，但E、F沉降漏斗区距离线路方案较近，其中E区位于中穿方案东侧，西距线位510 m，监测期间累积最大沉降量为0.3 m，F区位于中穿方案西侧1.2 km，监测期间累积最大沉降量为0.9 m。

(3)基于概率积分法对线路东侧地下开采沉降总变形量进行了计算，总变形量为10 mm的等值线西距线位566 m；基于岩移参数对线路东侧地下开采移动盆地塌陷边界进行了计算，塌陷边界西距线位608 m。塌陷变形区范围和InSAR监测的E沉降区范围比较吻合，塌陷变形区边界更加接近线位。

(4)采用Slide软件进行稳定性分析：西露天矿整体稳定性安全系数为1左右，安全储备不高，存在垮塌的风险，边坡发生潜在整体滑动的影响范围东距线位1.6 km，和地表开裂位置及InSAR监测的F沉降区范围比较吻合，F沉降区边界更加接近线位。东侧碳质泥岩矿露天边坡剖面坡度相对较陡，局部沿软弱层稳定安全系数为0.968，整体处于不稳定状态，在降雨等外部不利因素影响下容易发生整体性滑动或崩塌，边坡发生潜在整体滑动的影响范围西距线位850 m(见图8)。