高铁紧邻深厚采空区的综合勘察技术及应用★

岳建刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430000)

铁路通过煤矿采空区时，一般以绕避为主，同时，通过保留一定宽度的安全矿柱。近年来，随着高速铁路跨越式发展，选线时不得不穿越或紧邻采空区。采空区本身具有隐蔽性、复杂性，尤其对采深超过1 000 m的深厚采空区，如何准确地查明其空间范围及边界，是铁路工程地质勘察的一大难题。

对于深厚采空区，深孔钻探实施难度大、周期长、代价大，常规勘察以电法、磁法及地震勘探等手段为主，但受制于设备探测深度的局限性，很难准确查明其采空区的空间分布特征。

本文以鲁南高铁古城煤矿为例，针对采深大于1 000 m的深厚采空区，创新勘察手段，通过InSAR技术、深源物探技术，圈定了采空区的范围及规模，并结合现场调查进行验证分析，确定采空区的周界，为铁路选线奠定基础[1]。

1 工程概况

1.1 采空区概况

华北某设计时速为350 km/h的高速铁路，沿线分布有多处采空区，煤层埋深1 000 m～1 200 m，厚约8 m～10 m，因沿线设站条件受限等原因，线路需穿行于煤矿采空区之间的夹心地，其中，DK276～DK280段左右两侧均分布有采空区(见图1)，且近年来煤矿一直有采掘活动，为确保铁路工程建设及运营安全，需准确查明煤矿采空区的边界及范围[2]。

以线路右侧古城煤矿为例，目前开采的煤层为3煤层，主要集中在南部的31,32采区，采深1 200 m，开采方式为条带开采，全部采用综采放顶煤工艺开采。

1.2 开采历史

古城煤矿3107,3209工作面(如图2所示)距离本线最近，其采空区对铁路安全影响最大。根据竣工资料显示，3107工作面距离线路最近约920 m，地面标高约55 m，工作面标高-1 080 m～-1 165 m，煤层厚度为8.6 m，倾向东南，倾角7°。该工作面自2017年1月开始回采，2018年3月回采结束，回采长度701 m。采用保护煤柱条带式开采，综采放顶煤一次采全高生产工艺。

3209工作面距离线路最近约835 m，南北走向，位于3107工作面东侧300 m，地面标高约55 m，工作面标高-1 189 m～-1 196 m，宽度174 m，煤层厚度8.7 m，走向近南北向，偏北西向，倾向北东东。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。该工作面2017年9月开始回采，2018年9月停采，退采长度470 m，靠线路侧的工作面停采时间已近36个月。

2 InSAR解译

2.1 解译方法

合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用雷达反射，对地表典型点的反射与固定点的相位差，分析两者之间的变形差，可宏观上反映一定规模的地表变形特征和趋势[3]。采空区形成后，地表必然会出现不同程度的变形，在以“山西”为代表的煤矿采空区研究中曾采用InSAR技术开展过采空区地表沉降监测工作，并且取得了良好的效果，是当前研究地表变形的有效技术手段。

2.2 数据源

针对古城煤矿采空区，根据《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程》的有关规定，充分考虑大范围、精细化监测的应用需求，结合煤矿开采历史，选择SARadarSat-2高分数据及Sentinel-1号卫星数据作为主要数据源。共获取了2016年—2018年共15期SARadarSat-2高分影像以及2019年—2020年共32期Sentinel-1号卫星影像。

SARadarSat-2数据及Sentinel-1数据均无模糊、散焦、条带、增益过度等现象存在；所有数据幅度影像图覆盖范围保持一致，无跳变现象存在；且重复轨道数据影像相干性好，无数量缺失，数据公共区域满足工作区监测需求[4-5]。

2.3 解译分析

古城煤矿位于DK276+350～DK279+926段右侧，根据古城煤矿地表变形监测报告，条带开采下沉系数0.11～0.15，计算得到预估沉降量约0.8 m。古城煤矿3107工作面从2017年1月开采至2018年3月停采，3209工作面从2017年9月开采至2018年9月停采。

根据2017年—2018年度的年累积地面沉降等值线图(如图3(a)，图3(b)所示)进行分析，可得出以下结论：

1)2017年—2018年期间，古城煤矿3107及3209工作面采空区沉降漏斗中心向线路方向偏移。

2)地表沉降漏斗中心位于3107工作面的北面，3209工作面的西侧，移动盆地呈东西向展布，距离线路最近为1.06 km。沉降漏斗中心年累计沉降量持续保持在200 mm左右。

3)InSAR解译分析成果与3107及3209工作面开采时间、开采时序、形态等资料相符，InSAR解译成果可很好地反映采空区的时序特征。

根据2019年—2020年古城煤矿段(DK276+350～DK279+926)半月累计地面沉降等值线图(如图4(a),图4(b)所示)进行分析，可得出以下结论：

1)2019年—2020年3107及3209工作面已开采停止，此处沉降中心位置未变化，下沉量未明显增大。

2)新的地表沉降漏斗中心已偏离线路，并向西移动，逐渐与新开采区相对应。

3)旧采掘面所在区域地面年沉降速率逐渐减缓，新采掘面所在区域年地面沉降速率加快。

2.4 解译成果

1)根据2017年—2020年InSAR解译成果，DK276+350～DK279+926段累计最大沉降量为0.5 m，与煤矿监测资料中最大沉降0.546 m基本一致，说明古城煤矿在该时间段内持续存在采掘活动。

2)结合既有矿区资料，对比矿区开采面的分布和InSAR解译的沉降等值线中心位置，每年的沉降漏斗基本和当年主要开采面重合，且沉降漏斗基本与工作面中心一致，说明地表变形沉降是由采空引起。

3)2017年—2020年InSAR解译采空区变形趋势特征表明，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。

3 深源物探

3.1 探测方法

3.1.1 大吨位可控源宽线地震反射波法

高分辨率地震勘探技术可以满足“数千米”勘探深度，煤层被采出后原有状态与特征发生变化，采空区附近围岩发生塌落、破碎，使得地层的波阻抗发生变化，从而导致其地球物理特征的变化。考虑勘探深度以及精度的要求，选用了当前国际上最先进的美国Mertz公司生产的大吨位28 t大能量可控震源车(如图5所示)作为本次纵波地震勘探的激发源，实际有效勘探深度超过2 000 m。

3.1.2 可控源音频大地电磁法(CSAMT)

可控源大地电磁法(CSAMT)是工程勘察中适用1 000 m深度以上最有效的探测手段，是通过人工控制场源的一种电磁测深法，它通过改变发射源的发射频率达到测深目的，用测量相互正交的电场和磁场分量计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位，根据反演电阻率和深度关系图进行地质解释[6]。

一般条件下，煤矿采空区形成后，会伴随产生导水裂隙带，地下水会将岩体中的钙离子、铁离子等溶离出来，采空区在视电阻率图中表现为明显低阻异常，而围岩则表现为高阻状态。本次CSAMT使用加拿大凤凰地球物理公司V8多功能大地电磁仪(见图6)，实际有效勘探深度大于1 500 m。

3.2 测线布置及解译分析

根据周边地形、地貌以及建构筑物的分布特征，结合收集的采空区资料，宽线地震反射、可控源大地电磁勘探布置原则上保证覆盖古城煤矿3107,3209工作面，以查明采空区边界，同时兼顾探明采空区边界以南近线路一侧是否还存在其他的采空区、构造及其发育情况。

3.2.1 地震反射波法

宽线地震反射共布设反射采集测线10条。其中南北向测线7条，覆盖3107,3209工作面南北边界，东西向测线3条，覆盖工作面东西边界。10条测线按四个宽线地震勘探区以及一个二维地震勘探测线组合，共计生成地震宽线剖面12条(见图7)，测线长度22.7 km。

根据煤系地层各反射波的相对关系及波组特征来解释煤层的赋存形态、断裂构造、采空区等地质特征。解译成果如下：

（4）基于GIS的选线工作辅助系统，其可靠性与计算结果准确性及现有数据信息有直接关系，同时也会受到用户自身选择与判断的影响。只有正确的选择与判断，才能充分发挥工具应有的作用和效果。

1)本次地震勘探12条测线成果中仅NS505线、GCL4线未见明显异常，其余10条测线均存在煤层反射波下错、波组缺失以及频率变低等现象，反映为典型的煤矿采空区特征。

2)煤矿采空区南侧边界以北整体表现出明显的采空区特征，本次勘探南北4条测线均在平面上穿越3107工作面并有部分测线进入其北侧的3201工作面。

3)南北向测线GCL302存在多处断层构造，与古城煤矿3209采面揭示断层平面位置一致，综合东侧GCL4线勘探成果，表明GCL302以东无采掘作业面(见图7)。

4)东西向测线NS505无明显煤矿采空区异常反应，推断古城煤矿采掘工作面向南未穿越NS505测线(见图8)。

3.2.2 可控源大地电磁法

可控源大地电磁(CSAMT)共布设测线6条(见图9)，东西向布置1条，南北向布置5条。配合地震反射波法综合确定采空区异常，测线长度11.7 km。

根据测线的视电阻率剖面来分析区域地层背景、基岩完整性等地质特征。解译成果如下：

1)探测范围内整体电阻率呈层状分布，与区域地层地质背景一致，该段主要是以二叠系、石炭系泥岩、砂岩为主，呈层状构造。

2)从电阻率分布规律来看，中浅层(500以浅)地层电阻率较低并且纵横向变化不大，反映500 m以上基岩较完整。

3)CSAMT5-9～CSAMT5-17段中深部整体电阻率极低，反映为典型的煤矿采空区特征，推断为3209采空区异常。

4)CSAMT5-22～CSAMT5-28段在中深部仍存在明显的低电阻率异常特征，推断为基岩破碎异常区(见图10)。

3.3 解译成果

通过对比以上两种深源物探成果，对古城煤矿3107及3209工作面采空区范围进行综合分析(见图11)。

1)通过宽线地震反射及可控源大地电磁探测，查明了探测区域内的采空区异常范围，并圈定了3109及3207采空区的范围及边界；且两种方法对采空区解译的范围基本一致，说明采空区的勘探范围准确有效。

2)由于采空区电性在空间分布上具有明显的体积效应，受电磁方法理论限制，CSAMT圈定采空区边界较地震反射圈定的边界偏大。

3)宽线地震反射勘探采用了大能量(28 t可控源)、小道距(5 m)、全数字检波技术进行数据采集，勘探精度高于常规煤田地震反射勘探精度，理论上水平分辨率可达2.5 m、纵向分辨率5.0 m。

4)对比采空区综合物探解释成果与古城煤矿采掘工程平面图揭示采空区平面位置，地震反射圈定3107,3209采面采空区边界控制点较采掘工程平面采掘边界大，这与实际煤矿采空区“冒落带”发育范围有直接关系，总体来看在采空区长轴方向“冒落带”变形范围更大，这也很好的证明了地震反射勘探结果的准确性与可行性。

4 调查监测

采空区形成后往往引起地表一定程度的变形，主要表现为房屋、道路等建构筑物开裂。根据现场3107工作面附近地表调查，采空区地表范围内道路可见变形主要为裂缝，裂缝宽度2 mm～30 mm，裂缝长度从几米到几十米不等；房屋主要为竖向裂缝，裂缝宽度1 mm～5 mm[7]。

1)2019年7月～8月，通过现场走访、问询，对古城煤矿3107及3209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 m～500 m水平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 mm～5 mm(见图12)。现场调查的房屋裂缝最远点至3209工作面边界水平距离约400 m。地表变形量较小，村庄居民正常生活、道路交通和农业生产未受影响。

2)2020年5月、8月到现场再次进行地表变形调查，采空区中心种植玉米地，整齐规划，村民安居乐业，裂缝(纹)无加剧，范围也未扩展，也未发现新的变形点，与采空区的开采时序吻合对应。

3)《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)中对于长度或者变形缝区段内长度不大于20 m的砖混结构建筑物损坏等级由轻微至严重分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四个等级，其中Ⅰ级损坏等级地表变形值的限值为：水平变形ε≤±2 mm/m，倾斜i≤±3 mm/m，曲率K≤±0.2×10-3/m。

4)3107及3209工作面南侧地表建筑物变形值均在Ⅰ级损坏等级范围内，Ⅰ级损坏区的影响范围远离线路，距离Ⅰ级损坏区影响边界420 m(见图13)。

5 结语

地质选线对于铁路走向具有重要的意义，本文以古城煤矿3107和3209工作面为例，通过“空-源-地”三位一体的手段，即从InSAR的高位“空”中影像分析地表区域变形特征，利用可控源音频大地电磁法和大吨位可控源地震纵波反射法的深层物理“源”地球物理勘探方法，查明了古城煤矿深厚采空区的范围及边界，同时通过“地”表建构筑物的调查研究，对采空区的范围边界进行验证。勘探获取的煤矿采空区边界基本与竣工资料一致，确保了采空区的范围合理，为下一步铁路选线及采空区评价提供可靠的地质依据[8-9]。

1)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 m～920 m；3209工作面竣工资料显示边界距线路835 m，物探揭示煤层及异常区距线路830 m～835 m；物探揭示的采空区边界与竣工资料显示一致，说明深源物探方法能够较好地适应超深采空区的勘察。

2)InSAR解译中心沉降区距离线路约1 000 m，2018年底 的InSAR解译的中心沉降区距离线路约1 100 m，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。

3)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)与采空区的范围也有较好的对应性，表明3107及3209采空区位置是比较准确、可靠的。