邻近深厚煤矿采空区对鲁南高速铁路的影响分析

2022-03-09穆文光韩广乐高雪莲张春生

铁道勘察 2022年1期

穆文光韩广乐高雪莲李鹏张春生

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300251； 2.天津石油职业技术学院，天津 301607)

采空区对高铁安全威胁极大，也是铁路工程技术人员关注的重点[1-5]。李国和等研究采空区勘察、铁路采空区稳定性与评价、采空区铁路工程设计等，提出以实测最大下沉量与计算最大下沉量来分析大型采空区地表稳定程度[6-8]；徐法奎等基于相邻区域地表移动观测数据，采用概率积分法计算最大下沉值、最大水平移动值等[9]。然而，采用INSAR解译和物探等综合勘探手段来分析采空区影响范围及计算保护煤柱宽度的研究还相对缺乏[10]。

1 采空区分布、开采情况及地质特征分析

1.1 沿线煤矿分布特点

鲁南高速铁路曲阜至菏泽段位于山东省西南部。线路起于曲阜，向西途经兖州、济宁、嘉祥、巨野、郓城，而后进入菏泽。沿线煤矿分布众多(见图1)，煤炭储量在高程-1 000 m以上有3 080×104t，-2 000 m以上有70 200×104t，发热量高达2.72×104kJ/kg是全国重要的褐煤基地。

图1 高铁沿线济宁地区主要煤矿分布

1.2 技术路线

按照采空区勘察、稳定性评价有关规定，分析该地区InSAR解译数据在确定紧邻高铁采空区影响范围和发展趋势的应用效果[11]，分析可控源音频大地电磁法[12]判定采空区空间分布的独特优势，各种勘探手段相互分析、比对，确定采空区分布范围[13]。在紧邻高铁采空区缺乏观测数据的情况下，对邻近采空区开采参数、实测边界角分析、研判，查找规律[14]，合理确定紧邻高铁采空区边界角，按照铁路下保护煤柱留设的计算公式，确定保护煤柱宽度及采空区影响范围[15]。

线路附近的采空区主要有星村煤矿采空区、古城煤矿采空区、兴隆庄煤矿采空区、杨庄煤矿采空区、何岗煤矿采空区、鲁西煤矿采空区、葛亭煤矿采空区。其中对贯通方案可能产生影响的为古城煤矿采空区及杨庄煤矿采空区(见图2)。

图2 可能影响线路方案的主要采空区及周边煤矿开采现状

1.3 采空区开采情况及地质特征

古城煤矿于2001年1月投产，设计生产能力90×104t /a，设计服务年限51.9年。采用立井、暗斜井开拓，中央并列式通风，一水平高程为-505 m，二水平高程为-850 m，三水平高程为-1 030 m。全井田共分为11个采区，目前开采主要集中在南部的30、31、32采区，开采方式为条带开采，全部采用综采放顶煤工艺开采(见图3)。

图3 线路与古城煤矿采空区各工作面位置关系

由图3可知，3107工作面距线路最近，位于大柳庄以南205 m、八里铺东北390 m处，地面高程约55 m。地层自上而下分别为：第四系、第三系、侏罗系、二叠系、石炭系和奥陶系，含煤地层为二叠系山西组，煤层埋深1 135 m，煤层厚8.0 m。工作面上至31采区集中轨道，下至井田边界，西南为断层，南为未开拓区域。2017年1月份开始回采，采用保护性煤柱条带式开采，综采放顶煤一次采全高生产工艺。煤层倾向北东，倾角近水平。工作面下部宽118 m，回采长度509 m，上部宽度89 m，回采长度192 m。2018年3月回采结束，回采长度701 m，距离线路中心最近为919 m。

杨庄煤矿东翼采区北部在鲁南高速铁路禁采线和压覆资源评估线之间(见图4)。区内地层自上而下为：第四系、二叠系、石炭系、奥陶系、含煤地层为二叠系山西组，煤层埋深290 m，煤层厚8 m。杨庄煤矿与古城煤矿之间发育有近东西向的滋阳断层，故煤层埋深差异明显。2014～2017年，南部有3306、3307、3308、3309、3401及3405等工作面；北部为局部开采的一分层3112工作面，3112工作面采高2.2 m(为正在开采的工作面，2015年接到济宁市政府停采通知时仅推进了66 m)。评估区西部为津浦铁路保护煤柱，东北部为兴隆庄煤矿。3112工作面边界距离线路中心最近为260 m。

图4 线路与杨庄东翼采区位置关系

因杨庄煤矿2015年三季度将面临停产局面，济宁市煤炭局多次申请开采压覆协议范围外(评估区)的煤炭资源(3402工作面、3403工作面和采区边角块段)。区内沿煤层走向(南北)总长度约380 m，沿煤层倾向(东西)长度约310 m，平均倾角5°，厚8.5 m，煤炭总储量约140×104t。其中3402、3403面已采二分层，剩余煤层厚4.1 m。边角块段北部3112面剩余煤层厚6.3 m，边角块段其余煤层厚8.5 m。

2 采空区对鲁南高铁的影响分析

2.1 InSAR解译成果分析

根据古城煤矿采空区分布范围，采用RadarSat-2宽幅精细高分SAR数据进行监测，实现对研究区域全覆盖、时间一致、监测同精度。采用常规D-InSAR和时序InSAR相结合的解译方法，实现对采空区地面形变分析。其中，D-InSAR方法处理得到的差分干涉图能够直观反映不同时段地面形变情况，定性角度确定沉陷形态；而时序InSAR分析方法则可以获取连续时段的累计沉降量。依据InSAR监测数据绘制古城煤矿附近InSAR沉降干涉成果(见图5)。InSAR解译成果中，地表变形最大区域(蓝色部分)与收集资料情况基本吻合(向东南方向有外扩趋势)。

图5 2018年InSAR沉降干涉成果

2019年7～8月，通过现场走访、问询，对古城煤矿3107工作面周边的地表构筑物进行调查。根据现场调查，地表未见明显塌陷坑，地表变形以沉降变形为主。根据距离采空区300～750 m范围内的调查情况，水泥道路和建筑房屋出现开裂及裂缝痕迹。其中，道路和房屋裂缝最远点距离采空区边界约750 m，地表裂缝宽2～5 mm。

根据最新InSAR解译数据分析，结合现场的道路路面开裂、房屋开裂调查点的分布情况，绘制采空区地表调查点分布与Insar解译成果分析成果(见图6)。调查的裂缝范围与InSAR解译的不稳定区域基本吻合，在地表裂缝出露地方，地表变形破坏明显，属于不稳定场地，地表裂缝出现范围为受采空区影响的不稳定区，不稳定区范围内地表变形受采空区自身稳定状态影响明显，不稳定区边界距离采空区边界最远约750 m。通过InSAR解译，线路位于不稳定区外侧，采空区变形对线路影响较小。

图6 采空区地表调查点分布与Insar解译成果

2.2 物探测试成果分析

根据野外调查的古城煤矿采空区分布情况，布置4条物探测线，利用可控源音频大地电磁法完成测区野外物探工作(见图7)。

图7 物探测试成果平面

根据可控源音频大地电磁法测试结果，在测线1～测线4范围内均有采空区异常显示，物探测试成果见表1。

表1 物探测试成果

该区域煤层厚度及采空区的高程，钻探结果与物探测试结果基本相同。采空区异常出现的高程位置和推测的平面位置，大体上与收集的开采工作面资料相匹配，在矿区东部边界处局部有差异，测线4和测线1反映采空区异常有自开采工作面边界往东扩展的迹象，这与InSAR解译成果基本吻合。

2.3 保护煤柱宽度计算

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕66号)第56条要求，路堤应以两侧路堤坡脚外1 m为界，路堑应以两侧堑顶边缘外1 m为界，桥梁应当以基础外边缘外1 m为界，在两侧界线以内的范围为受护面积，然后沿受护面积的边界向外扩大一定距离加围护带。该高速铁路保护等级为特级，因此对应的围护带宽度为50 m。经过古城煤矿东南区附近段路基填高约6 m，坡率1∶1.5，路基面半宽4.3 m，线间距5 m。经过计算，得出路基围护带边界到线路中心的距离为63.3 m(本次统一按65 m考虑)。同时，本区煤层倾角为7°，近乎水平，本次计算按水平考虑。

考虑边界角受多种因素(地层结构、开采方法、采厚、采深、倾角等)影响，选择单个值进行分析，难以准确反映采空区对线路的影响，故基于既有资料进行以下分析(见表2)。

由表2可知，矿区边界角在58°～64°之间变化，在地层结构及其他开采参数相似的情况下，开采面积减小边界角有增大的趋势。

表2 古城煤矿实测岩移参数

3107工作面第四系厚度约170 m。煤系地层为二叠系，煤层顶板，由细砂岩、中砂岩、粉砂岩夹砂质泥岩、泥岩组成。采用综采放顶煤，采厚8.0 m，开采深度1 135 m，开采面积约为72 203 m2，煤层近似水平。由于3107工作面是近期开采，无地面监测数据，只能根据邻近工作面的实测数据分析比较。从上述分析可知，矿区边界角的平均值为60.5°，3107工作面邻近3200工作面且开采面积较小，其地层结构及开采参数与3200工作面基本相同，综合考虑多方因素，3107工作面边界角取61°较为合理。

杨庄煤矿临近煤矿实测岩移参数见表3。

由表3可知，3个工作面地表移动盆地综合边界角实测值在60.6°～62.8°之间，由于杨庄煤矿3112、3403、3402为近期开采，没有完整的观测资料，故采用偏保守的边界角(62°)。