沪昆高铁丰城曲江段地面稳定性预测及对策建议

2017-05-31刘前进陈开红

华南地质 2017年4期

刘前进，董毓，黄迅，陈开红

LIU Qian-Jin1,DONG Yu1,HUANG Xun1,CHEN Kai-Hong2

(1.江西省地质调查研究院，南昌330030；2.湖南省地质矿产勘查开发局402队，长沙410004)

（1.Geological Survey of Jiangxi Province，Nanchang 330030，China；2.402 Geological Prospecting Party，Changsha 410004，China）

沪昆高铁丰城曲江段属于长江经济带交通干线（图1）。研究区位于丰城市以北曲江镇一带，呈东西向椭圆状，面积约50 km2，东南与丰城市中心区、小港镇和南昌县广福镇隔赣江相望，西与尚庄街办接壤，北与上塘镇、丰矿循环经济示范园和同田乡毗邻。曲江镇煤矿企业是镇域经济的主要支柱，区内主要分布有曲江煤矿、坪湖煤矿、建新煤矿、鸿达煤矿、寺前煤矿、党根煤矿、足塘煤矿等。

资料表明，曲江镇北部大部分区域均为坪湖煤矿采矿区，且开采年限也有五年以上，煤矿开采后造成地面塌陷等灾害情况时有发生。如龙津大道修建阶段，2012年3月初K1＋501至K1＋775段发现路基裂缝，其下部为建新矿2011年采空区影响范围；洪州学院北部1号楼于2014年出现开裂现象，其下部为2013年采空区影响范围等等。

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空间，造成上部岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象，其发生与煤层的赋存条件和开采状况及自然环境等因素有关[1-4]。采空塌陷伴随着岩溶塌陷问题不仅江西独有，在我国重要采煤区如山东、安徽、湖南、贵州等地也常出现[5-7]。因此，查明该段地面稳定性的主要影响因素并对稳定性进行预测，对沪昆高铁在该段正常运行意义重大。为此，我们进行了地面调查、资料收集和物探、钻探等工作，并利用钻孔点计算法进行了稳定性预测。

图1 研究区交通位置图Fig.1 Traffic location map of the study area

1 工作布置

为了查明地面塌陷的主要控制因素，以曲江镇为中心，根据研究区水文地质、地形地貌、地表调查及塌陷的分布情况，在地面调查的基础上，我们选择物探和钻探方法对影响因素进行探测。物探勘察采用高密度电阻率法测量、视电阻率联合剖面测量、激电测深法对区内的地层岩性、地质构造进行探测。其中，1-1′线长度为 3200 m；2-2′线长度为6700 m，测线走向 310°，横跨研究区（图 2）。

为查明区内水文地质条件、可溶岩埋藏深度、分布范围及获取水文地质参数等，部署水文地质钻孔4处，投入钻探工作量557.84 m。为查明区内岩土体特征及工程地质参数等，部署工程地质孔8处，投入钻探工作量227.3 m。并收集了区内53个煤田地质孔，以进行地表变形计算（图2）。

2 稳定性影响因素分析

工作结果表明，区内地面塌陷及地面沉降的形成主要受地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水条件等自然因素以及抽排地下水、人工采矿等人为因素的影响和控制。地裂缝、地面塌陷地质灾害同属于采煤形成的采空塌陷地质灾害，其规模与煤炭的开采规模及地形地貌特征有关[8]。据调查显示，人工采矿是主要的影响和控制因素。

2.1 地形地貌

不同的地形地貌直接控制着地下水的水动力特性，制约着岩溶作用的强度，使其在不同的地形部位形成不同的岩溶形态[9]。本区岩溶塌陷多分布于杨坑河河谷两侧（图2），呈近东西向展布，北侧为仙姑岭东西向分水岭，南侧为曲江北东向岗埠分水岭，两侧地下水向中部河谷径流排泄，加大了地下水运移速度，且第四系覆盖层较薄，发育了一系列的暗河及溶洞，为地表塌陷的形成创造了有利条件。

2.2 地层岩性

研究区地层为第四系松散层、三叠系青龙组泥灰岩、二叠系长兴组灰岩（图2），其中长兴组灰岩为可溶岩，灰岩中的裂隙在地下水流的溶蚀、冲刷作用下可不断加宽、扩容，形成较大的地下空洞或洞穴系统，洞穴系统的形成将加剧地下水对可溶岩的溶蚀、冲刷作用，而当地下洞穴达到足够大而洞穴顶板的强度不足以支撑其上的岩土重力时，将产生塌陷。

图2 研究区主要实物工作量部署略图Fig.2 Deployment diagram of main physical workload in the study area

2.3 地质构造

研究区位于萍乡-乐平反“S”形构造的中部，其北、其南分别为九岭及武功山东西向构造，属于昆仑-秦岭与南岭纬向构造带之间区域性东西构造带。地质构造对岩溶塌陷的影响主要是通过其对岩溶发育程度的控制实现的。如曲江集镇的岩溶塌陷，资料显示，陷坑周围断层十分发育，从以下几个方面可以佐证：（1）塌陷坑中心位置原为一个上升泉，该泉水为长兴灰岩水补给，此处灰岩的埋藏深度为130 m以上，地下水只能是通过断层带方可出露；（2）曲江煤矿在开拓过程中，于井下相应位置亦发现断层；（3）物探成果显示，2-2线400-630号测点的中高阻区为长兴组灰岩，其中在430号测深点断层带附近出现明显的低阻带，从激电测深视电阻率见断层，其中ZK7孔断层岩芯见明显的断层角砾岩及断层泥（图4）。

图3 2-2线激电测深视电阻率拟断面图Fig.3 Quasi sectional drawing of apparent resistivity by IP sounding of2-2 line

图4 ZK7钻孔断层角砾及断层泥Fig.4 Faultbreccia and fault gouge of drillingZK7

2.4 人工抽排地下水

地下水的活动是岩溶塌陷形成过程中重要的动力因素之一[10]。变幅剧烈的地下水为岩溶塌陷的产生提供了强有力的动力条件[11]。研究区覆盖型灰岩岩溶发育，地下水联通性较好，在径流较通畅集中的地段，由于地下水的潜蚀、搬运作用，在洞隙的开口处，对上覆土层产生潜蚀，形成土洞雏形。由于大量抽取地下水，改变了水动力条件，地下水水力坡度增大，流速加快，潜蚀作用增强，使充填物及塌陷物质发生迁移、搬运，在第四系厚度较薄或堆积物较松散的地段则直达地表，形成地面塌陷。据本次调查分析，覆盖型灰岩岩溶发育，水量较大，如CK1水文地质钻孔揭露隐伏型灰岩，其中77.7-126.6 m为充填溶洞，水位降深49 m，单井涌水量157 m3/d；埋藏型灰岩岩溶不发育，水量较小，如CK4水文地质钻孔揭露埋藏型灰岩，水位降深56m，单井涌水量131m3/d。

据调查，区内共有农田灌溉机井20口（表1），所取水均来自本区主要含水层长兴灰岩，井深30-80 m，单井出水量20-80 m3/h，成井时间最早为1989年，最晚为2010年，由于农田灌溉用水具有供水期集中、时间短（每年10月份）、水量大等特点，排水期为旱季更加剧了地下水对围岩的冲刷侵蚀作用。同时，过量抽取地下水，致使地下水位下降加剧，诱发了岩溶地面塌陷的发生。

表1 区内部分地下水开发利用一览表Table 1 Table of exploitation and utilization of partial groundwater in the area

2.5 采矿影响

煤矿井下开采是导致地面塌陷产生的主要因素。区内主要分布有曲江煤矿、坪湖煤矿、建新煤矿、鸿达煤矿、寺前煤矿、党根煤矿、足塘煤矿、棋盘山煤矿等（图5），据地表移动变形计算分析，未来采矿条件下，地表移动变形均较大，局部地段已达到四级变形。由此可见，研究区煤炭压覆区内如进行开采可能引起的地面水平变形和倾斜变形量均较大，均有不同程度变形，从而加剧了地面塌陷及地面沉降的产生。

图5 研究区与煤矿相对位置示意图Fig.5 Relative position graph of the study area and coal mine

采煤对地表变形的影响因素有煤层埋藏深度、煤层开采厚度、煤层上覆岩性结构、地质构造以及地面地形特征等因素。

（1）煤层埋藏深度：研究区主要煤层埋藏深度标高为-5～-945 m,地面标高21.1-52.6 m左右（取平均值30.0 m），即煤层埋藏深度为-35～975 m。含煤地层主要为乐平组层。

（2）煤层开采深度：曲江矿区，坪湖矿区、建新矿区、仙姑岭勘查区在研究区涉及到范围内的B4煤层、C8煤层、C18煤层、C23煤层的赋存厚度较小。B4煤层最小厚度为1.29m，最大厚度为3.99 m，煤层倾角9-12°，属于缓倾斜煤层；C8煤层最小厚度为0.71 m，最大厚度为1.35 m，煤层倾角9-12°，属于薄层状缓倾斜煤层；C18煤层最小厚度为0.69m，最大厚度为1.03m，煤层倾角11-13°，属于薄层状缓倾斜煤层；C23煤层最小厚度为0.64 m，最大厚度为1.65m，煤层倾角10-13°，属于薄层状缓倾斜煤层。

（3）煤层上覆岩性结构：根据各矿务局、勘查区岩层综合柱状图分析，老山段下部的B4煤层顶板为厚约3～8 m的深灰-灰黑色细粉砂岩，局部为粗砂岩、含炭泥岩。底板为厚1～2 m的灰褐色鲕状粘土岩或粘土质、砂质泥岩；位于王潘里段的底部的C8煤层，顶板为深灰色-灰黑色细粉砂岩、粗粉砂岩，底部以细粉砂岩为主；王潘里段的中上部的C18煤层，顶板多为粉砂岩，底板多为粘土岩、泥岩；王潘里段的顶部C23煤层，含夹矸一般在2～3层，夹矸的岩性以炭质泥岩和泥岩为主。

综上所述，本区特有的地质构造是发生岩溶塌陷的内因，人工采矿是导致地面塌陷的主诱发和控制因素，人工抽排地下水及地层岩性为次控因素。因此本次稳定性评价以人工采矿主控因素进行分析讨论。

3 稳定性评价及易发程度分区

3.1 B4上覆区计算参数和地表移动计算

考虑到研究区下覆采空区工作面的复杂性，本次采用分点计算法进行计算，计算研究区采区沉陷盆地的采动变形，现以B4煤层为例进行稳定性分析。

3.1.1 计算参数

研究区内压覆煤层共涉及到4个矿区（勘查区）范围，分别为曲江矿井B4、C8、C18和C23煤层、坪湖煤矿B4煤层、建新煤矿B4煤层及仙姑岭勘查区C8、C18和C23煤层。

依据各矿区（勘查区）各煤层原勘查报告块段储量图，结合研究区采动变形分析范围，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》要求，分析计算B4煤层采动变形。采空区地面标高21.1-52.6 m左右（取平均值30.0 m）。

本区下伏的煤层为乐平组B4煤层，引用各煤矿储量核查报告，结合丰城矿务局的观测资料进行预测。取各见煤钻孔煤厚计算，其中水平移动系数b=0.3；下沉系数q=0.65；移动边界角β=64°；煤层倾角取各煤矿（勘查区）的平均值α=11°。

3.1.2 地表移动计算

点计算法（根据见煤钻孔资料计算）。例如：钻孔5-1，地面标高25.45 m，煤层到地表的垂深H=534.00 m，见煤厚度为3.15m；则最大下沉η=qmcosα=0.65×1.54×cos12°=0.979126m=979.126mm；最大倾斜 I=η/（H/tgβ）=979.126/（691.5/tg64°）=2.903 mm/m；

最大曲率 K=±1.52η/（691.5/tg64°）2=±0.0131mm/m2；最大水平变形ξ=±1.52bI=±1.52×0.3×2.903=±1.324mm/m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对砖混结构建筑物损坏等级划分；根据各钻孔损坏等级表（表2），采用内插计算方法绘B4煤层采动变形分析平面图（图6、图7、图8）。

开采方案按采动对地面建筑的保护以“三下”采煤规程的Ⅰ级保护等级加以保护，即地面容许最大变形为：水平变形ζ≤2.0 mm/m，倾斜变形Ⅰ≤3.0mm/m，曲率 K≤0.2×mm/m2。

3.1.3 B4上覆区稳定性评价

地表移动计算结果表明，研究区涉及到的几个压覆区（矿区和勘查区）未来采矿条件下，地表移动变形均较大，压覆范围内部分地段达到四级变形（水平变形＞6.0mm/m，倾斜变形＞10.0mm/m，曲率K＞0.6mm/m2)。研究区下伏煤层开采时，由于部分地段煤层厚度大、埋藏浅，煤层开采引起的规划区地面变形大，对研究区产生影响较大。由此可见，研究区内煤炭压覆区如进行开采可能引起的地面水平变形和倾斜变形量均较大，均有不同程度变形，部分地段将受三级损坏，相对应的地面受采动影响较大。建议对压覆区煤炭资源不做开采，留设保留煤组，切实保障研究区的安全。目前，坪湖煤矿及建新煤矿已于2016年封闭矿井，推测地面变形将得到质的缓解。如需继续开采，应请专业论证单位进行专门的可采性论证，依据论证结果采取专门的加固措施，必要时采取减小地表移动和变形的开采技术措施。

3.2 研究区稳定性易发程度分区

依据本次面上调查灾点，结合以往前人资料及各煤矿采空区范围，通过地面地表移动计算结果，划分为易发区、较易发区、不易发区（图9）。

（1）易发区

曲江煤矿采空区，根据计算地面变形对建筑物的破坏影响为一至二级，且以一级为主。由于曲江煤矿近几年才进行开采，形成的采空区面积虽小，但沉降极不稳定，而实际情况与计算结果相符（本次共收集调查房屋变形调查点百余个），即煤矿开采将对地面建筑物产生较大影响。因此，曲江煤矿采空区及煤矿开采活动区域为采空地面塌陷及地面沉降易发区。

（2）较易发区

坪湖煤矿及建新煤矿采空区，根据计算地面变形对建筑物的破坏影响为三至四级，但开采时间已超过五年，沉降趋于稳定。近年来当地居民在该地进行了大量的房屋建设，据调查资料显示，在煤矿开采2.5H（约五年）后建设的房屋在建设和使用过程中未出现由于煤矿开采沉陷变形而引起的开裂或倾斜现等现象。而且由于近几年国家经济结构转型调整（去产能），2016年坪湖及建新煤矿已封井停采。结合煤矿开采沉陷理论和当地的实际情况，本段划为采空地面塌陷及地面沉降较易发区。

（3）不易发区

仙姑岭以北、皮胡水库以东、曲江镇以南均为不易发区，该段不属于煤矿采空区，因此不会产生采空地面塌陷及地面沉降等不良环境地质问题。