古城煤矿超深采空区对鲁南高铁安全影响评价

孙凯强

摘要 为了研究古城煤矿超深采空区（1 200 m）对鲁南高铁的影响，通过充分调查收集古城煤矿地区地质资料、矿井设计资料、生产布局、开采现状、后期开采计划以及周边煤矿的开采情况，采用综合物探、地表监测、INSAR数据解译等手段验证采空区范围，并结合理论计算，现场沉降观测和概率积分法变形预测，分析研究古城煤矿3107工作面采空区对鲁南高铁产生的影响，为合理工程措施的提出和古城煤矿高铁煤柱留设参数建议提供了依据，确保高铁施工及运营安全。

关键词 鲁南高铁;超深煤矿采空区;综合勘察;安全评价;概率积分法

中图分类号 P642.26 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0172-05

0 引言

目前国内外采空区勘探主要考虑工程以及地灾整治需求，其勘探深度一般都200 m以内，极少数情况下达到500 m，对于埋深超过1 000 m的铁路工程超深层煤矿采空区勘察，国内外鲜见应用案例。古城煤矿由于基岩厚度近千米，开采深度极大，深厚比远大于30的条件下，地表移动变形在空间和时间上都具有明显的连续性，采空区坍塌引发的裂隙带、弯曲线变形尺度极小，因此无法通间接过对浅部的弯曲带进行勘探识别采空区，这极大限制了地球物理勘探方法选择，工程勘察领域浅层地球物理勘探方法如地震映像、探地雷达、高密度电阻率法、瞬变电磁法、微重力等均无法达到勘探目的;大地电磁法等天然场电磁法抗干扰能力差，通过在测区内进行AMT和MT采集试验，由于工频干扰以及基岩低电阻率的客观条件，也无法达到勘探目的[1-2]。

基于随机介质理论的概率积分法是我国开采沉陷预测的主要方法，也是“规程”规定的开采沉陷预测方法之一[3]。在开采沉陷的多种预计方法中，概率积分法以其理论基础坚实、计算形式简单、公式便于推导、计算速度较快等诸多特点而成为对开采沉陷进行精确预计的主要方法[4-6]。针对该方法，国内外许多学者进行了大量研究[7-9]。

目前，获得概率积分法参数主要通过在工作面上方建立地表移动观测站，采用观测站数据通过数据拟合的方法获得该工作面的概率积分法参数，以指导邻近工作面或者相似地质采矿条件的开采沉陷预测[10-11]。实测方法所获得的参数较为准确可靠。各主要矿区建立了众多地表移动观测站，获得了大量观测资料，为获取本地区的地表移动计算参数奠定了坚实的基础。

该文利用概率积分法，对某矿区工作面开采后地表变形规律进行预计，为开采工作提供理论基础。

1 概况

1.1 工程概况

鲁南高铁位于山东省西南部经济隆起带的临、枣、济、菏发展轴[12]，是位于山东省南部地区的快速铁路客运通道，其中曲阜至菏泽段线路正线全长160.750 km，设计时速350 km/h，线路通过兖州市东郊附近大范围分布煤矿采空区，其中距离线路近、影响大的是古城煤矿超深采空区。

1.2 地质条件

古城煤矿主要开采二叠系山西组下部3煤，均厚约8.6 m。上覆基岩厚约1 000 m，多为中硬岩，断裂构造发育，褶曲不发育，地层缓倾，倾向多变，基岩裂隙水（偶含岩溶水）不发育，与上部第四系水力联系较弱。基岩之上覆第四系地层厚约170 m，主要为冲洪积粘土和粉细砂，工程性质较差;上部含潜水，中、下部为两层“承压水”。

1.3 古城煤矿概况

古城煤矿于2001年1月投产，设计生产能力90万t/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，一水平标高为−505 m，二水平标高为−850 m，三水平标高为−1 030 m，采用综采放顶煤方法开采3煤层。

根据收集的古城煤矿3煤层采掘工程平面图，目前主采区工作面与鲁南高铁的相对位置关系如图1所示。

古城煤矿3107工作面位于鲁南高铁菏曲段DK277+900～DK278+530右920～1 300 m。3107工作面标高−1 080～−1 165 m，煤层厚度8.6 m，煤层倾向东南，倾角约7°。3107工作面边界距离线路中心约920 m。3107工作面地面位置位于基本农田，地面标高约55 m。

2 采空区综合勘察

2.1 资料搜集

调查收集古城煤矿地质资料，包括地层岩性、地质构造、地下水含水组（层）等背景资料，以及古城煤矿矿井设计资料、生产布局、巷道分布、开采现状、后期开采计划以及周边煤矿的开采情况。

2.2 地球物理勘探

2.2.1 大吨位可控源宽线地震反射波法

根据勘探目的任务，结合地形、地貌、村庄平面情况以及收集的采区资料，宽线地震反射勘探布置原则上保证覆盖古城煤矿3107采掘面查明采空区边界，同时兼顾探明界线以南近鲁南高铁路一侧是否还存在其他的采空区、构造及其发育情况，宽线地震反射共布设反射采集测线10条，典型成果如圖2所示。

2.2.2 可控源大地电磁法（CSAMT）

根据该次勘探目的任务，结合收集开采资料，原则上保证覆盖古城煤矿3107采掘面，同时兼顾探明界线以南近鲁南高铁路一侧是否还存在其他的采空区、构造，可控源大地电磁（CSAMT）分别布置测线六条，典型成果如图3所示。

2.3 地表调查

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了调查。通过调查发现，现场地表变形以沉降变形为主，采空区中心位于基本农田内，未见塌陷坑，不影响小麦与玉米的种植。小沂河未发生断流现象。根据现场在距离3209工作面南侧200～500 m水平投影范围内的杨庄村房屋及小路裂缝的调查情况，对差异沉降十分敏感的砌体结构、条形基础民用建筑，局部建筑房屋存在张开裂缝（纹），裂缝宽2～5 mm。

2.4 INSAR数据解译

（1）2017—2020年InSAR解译采空区变形趋势特征（2020年地面沉降等值线图如图4所示）表明，InSAR变形中心区位于3107工作面偏北侧、3209西侧，3107与3209采空区引起的地面变形已于2019年初稳沉，2020年的InSAR解译成果已无变形发展。在3107及3209采区的南侧及东侧未见其他采空的变形影响，无其他采空区。

（2）InSAR分多期解译成果，与矿区开采历程、采空区平面分布形态及典型点地表监测、地表调查之间可相互印证。“时—空”形变具有较好的对应性。

2.5 综合分析

3107工作面竣工资料显示的工作面边界距线路920 m，物探揭示煤层及异常区距线路900～920 m;3209工作面边界距线路835 m，物探揭示煤层及异常区距线路830～835 m;InSAR解译中心沉降区位于距离线路约1 000 m，2018年底的InSAR解译的影响范围及形态，以及物探的解译范围与3107及3209工作面较为吻合，地面调查房屋裂缝、裂纹（线路位于Ⅰ级损坏区影响边界外420 m）与上述位置也有较好的对应性。

综上所述，采用以上四种方法获取的两个采空区的边界具有较好的一致性和符合性，用于评价其对高铁的影响是可靠的。综合前期煤田勘察成果，两采区采深1 200 m左右。第四系地层厚150～170 m，煤层采厚主要为8.6 m左右。3107工作面边界距线路距离为920 m，3209工作面边界距线路距离为835 m。

3 采空区影响范围内地面沉降分析与预测

3.1 地表沉降观测资料分析评价

鲁南高铁施工前及施工过程中，在沿线路两侧按一定间距设置了一批沉降观测点。2019—2020年，现场对DK276+125～DK280+500段的CPⅠ、CPⅡ点进行了3次高程测量，根据测量数据绘制折线图如图5。

从2019—2020年的沉降变形曲线反映：

（1）CPⅠ点及CPⅡ点变形趋势基本一致，2019—2020年4月沉降量增加;2020年4—7月变形比较平稳;2020年8月监测点普遍出现少量反弹。

（2）此段范围内沉降量整体比较稳定，沉降量处于11.5～23.2 mm之间，年沉降速率8.6～11.7 mm/a。

综上所述，线路两侧的CPⅠ与CPⅡ点实测变形数据表明，DK275～DK283此段线路两侧的各CPⅠ点、CPⅡ点地表沉降变形趋势基本一致。

3.2 概率积分法沉降变形预测计算

3.2.1 边界角取值分析与论证

通过采用实测取值法、规范取值法、工程类比法及概率积分反演分析法，多种方法获得的边界角见表1。

该次研究边界角选取是在分析实测法、规范法、工程类比法的基础上，结合业已纳入规范并在该矿成功应用多年，积累了丰富经验的“概率积分反演分析”结果，综合考虑采空区的采深、采厚、煤层产状，覆岩厚度、强度及完整性等因素，选取3107采空区岩移边界角岩层60°、土层45°。

3.2.2 计算参数选取

古城煤矿煤层埋藏深度较深，埋藏深度1 100～1 200 m。上覆岩层中，松散层厚度较大，平均厚度170 m。基岩段岩性以中砂岩、细砂岩为主，夹有部分泥岩和页岩段。覆岩总体可评价为中硬偏软的岩层结构。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》GB 51044—2014[3]与“三下”规程[13]中经验参数，考虑到3107工作面煤柱的稳定性、采区积水情况等，结合矿区工作面经验参数及规范中经验参数范围，对规范中岩移参数参考值进行适当调整，使预计的影响范围更合理。经综合分析确定，评估地表移动预计参数选取如表2所示。

3.2.3 计算结果分析

根据计算结果绘制3107工作面开采后地表下沉等值線图、水平移动等值线图、倾斜变形等值线图、曲率变形等值线图和水平变形等值线图，如图6～10所示。地表预计最大下沉值880 mm。

《建筑物、铁路、水体及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》也规定，以下沉值为10 mm的点作为边界点。工作面开采后影响范围如表3所示。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）通过对采掘竣工资料、现场调查资料、两种深源物探探测成果，以及InSAR解译成果等综合分析，四种方法获取的3107采空区边界具有较好的一致性、符合性。3107采空区边界距线路最近距离为920 m。

（2）在调研分析已有研究应用成果基础上，采用实测法、规范法、工程类比法、概率积分反演法等综合分析方法，并结合采空区的采深、采厚、煤层产状;覆岩厚度、强度及完整性等因素，选取3107采空区岩移边界角岩层60°、土层45°。

（3）概率积分法计算结果表明，预测最大地表沉降880 mm。移动盆地边界（下沉值10 mm）距鲁南高速铁路围护带最近距离212 m，围护带无沉降变形值。

4.2 建议

（1）煤矿方应严格按照备案压覆禁采范围，留设高铁安全保护煤柱。在3107工作面附近进行开采时，应合理留设保护煤柱，确保相邻附近工作面开采不会导致3107工作面采空区活化，引起3107工作面的二次变形、塌陷。

（2）施工期间及运营期间应重点监测古城煤矿采空区地表变形的影响，建议于DK276+350～DK279+500段右侧布置地表变形观测线。

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