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        高速鐵路大面積密集煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)勘察及評價*

        2022-04-29 05:28:12王亞威
        施工技術(shù)(中英文) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:煤礦工程

        王亞威

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

        0 引言

        近年來,我國鐵路事業(yè)取得快速發(fā)展,路網(wǎng)覆蓋范圍廣、密度大,另一方面我國礦產(chǎn)資源豐富,開采歷史悠久,遺留大量采空區(qū),鐵路建設(shè)過程中,不可避免地會穿越采空區(qū)。寧杭客專、合福高鐵、寧安城際、滬昆客專、太焦鐵路等多條鐵路工程都遇到不同程度的采空區(qū)問題[1-4]。

        許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,李國和等[5]總結(jié)采空區(qū)鐵路勘察選線設(shè)計(jì)的基本流程和方法,提出采空區(qū)鐵路選線安全距離計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。韓會勛[6]采用資料搜集、調(diào)查、鉆探、孔內(nèi)電視成像相結(jié)合的勘察方法,查明采空區(qū)平面、空間分布形態(tài)及殘余移動變形的時空規(guī)律。姚成志、孫林[7-8]通過地質(zhì)測繪調(diào)查、物探結(jié)合鉆探,查明某小型采空區(qū)的分布范圍及其對工程的影響。李志華[9]對采空區(qū)綜合物探方法進(jìn)行系統(tǒng)討論和總結(jié),提出鐵路采空區(qū)綜合物探工作模式。王旭[10]總結(jié)小煤窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)及處理措施。

        高速鐵路對線下工程變形要求極高,必須詳細(xì)查明地下采空區(qū)的情況,評價穩(wěn)定性及其對鐵路工程的影響,以便保證鐵路工程安全。本文以某高速鐵路通過大面積密集煤礦采空區(qū)為案例,通過采用資料搜集及調(diào)查分析、物理勘探和深孔鉆探相結(jié)合的綜合勘察方法,查明線路附近各煤礦采空區(qū)的分布情況,分析評價采空區(qū)對鐵路工程的影響。

        1 工程概況

        寧國市汪溪港口一帶煤礦富集,某高速鐵路DK87+800—DK93+400段從汪溪鎮(zhèn)、港口鎮(zhèn)煤礦采空區(qū)之間穿越,如圖 1所示。線路左側(cè)分布有兆坤煤礦、勝利煤礦、發(fā)水煤礦,右側(cè)分布有港口一礦、烏石礦業(yè)、趙村煤礦、金山煤礦和民國時期私采小煤窯等,煤礦數(shù)量多,開采規(guī)模不一,給勘察設(shè)計(jì)工作帶來挑戰(zhàn)。

        圖1 礦區(qū)分布示意

        2 采空區(qū)工程地質(zhì)條件

        測區(qū)屬水陽江沖積階地,局部為剝蝕殘丘,地面標(biāo)高35.000~100.000m。地層巖性主要為三迭系下統(tǒng)殷坑組(T1y)灰?guī)r夾泥薄層灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r,二迭系上統(tǒng)大隆組(P2d)炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r,二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)炭質(zhì)頁巖、砂巖、泥巖。煤層位于二迭系龍?zhí)督M煤系中部的炭質(zhì)頁巖、砂巖中。該區(qū)域含煤3層,由下而上為A,B,C層,僅C煤層可采,厚度0.61~2.03m,煤質(zhì)屬高灰、高硫,低磷,為肥氣煤。煤層走向北東—西南30°左右,傾向北西。煤層傾角30°~50°。井田多為單斜構(gòu)造,區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斜交斷層為主,層間滑動尤為突出。

        3 采空區(qū)工程地質(zhì)勘察

        3.1 資料搜集、調(diào)查及分析

        采空區(qū)資料搜集和調(diào)查走訪工作是開展采空區(qū)綜合勘察工作的基礎(chǔ),也是最關(guān)鍵的一步,直接影響后續(xù)物探、鉆探工作的開展。本項(xiàng)目勘察期間,組織大量人力物力,通過各種方式,盡可能收集齊全各礦區(qū)開采的相關(guān)圖紙報(bào)告,并走訪多位礦區(qū)負(fù)責(zé)人和老礦工?,F(xiàn)場核查礦區(qū)井口位置,并調(diào)查區(qū)域內(nèi)巖性、產(chǎn)狀及地面塌陷情況。通過相互驗(yàn)證礦區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)、采掘工程平面圖及現(xiàn)場調(diào)查礦井口等標(biāo)志性位置,確保資料可靠性,初步查明各煤礦采空區(qū)分布范圍和開采情況。

        發(fā)水煤礦位于線路DK89+800—DK91+000左側(cè)約640m處,根據(jù)收集到的井上井下對照圖、采掘工程平面圖和調(diào)查走訪得知,該礦始建于1999年,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3萬t/年,2003年投入生產(chǎn),2006年因漏水嚴(yán)重而閉礦。主要沿南西27°和北東45°,通過斜井運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷進(jìn)行斜井開采,最大采深標(biāo)高約-250.000m。調(diào)查發(fā)現(xiàn),礦區(qū)頂部農(nóng)田曾發(fā)生過塌陷,附近村民房屋有開裂現(xiàn)象。

        勝利煤礦位于DK89+000—DK89+800左側(cè)約810m處,根據(jù)收集到的部分采掘工程平面圖和調(diào)查走訪得知,該井田走向長2.5km,傾斜寬0.5km,面積約1.25km2,可采儲量149.1萬t。1970年6月動工興建,采用走向短壁,區(qū)內(nèi)后退式,回采工作面人工風(fēng)鎬落煤,溜槽自溜式運(yùn)輸,平巷人力推車,煤層平均厚度1.2m,傾向北西60°,傾角約40°,最大采深標(biāo)高約-450.000m,于2005年關(guān)閉。

        兆坤煤礦位于線路DK87+800—DK88+200左側(cè)約1 200m處,根據(jù)采掘工程平面圖和調(diào)查資料,采礦時間為2009年7月—2012年7月,采空區(qū)主要分東、西區(qū)域。東側(cè)區(qū)域采深標(biāo)高-200.000~-100.000m,開采范圍較小,南北向長約200m,東西向長約180m。西側(cè)開采范圍較大,采深標(biāo)高-450.000~-300.000m。由于礦區(qū)距離線位較遠(yuǎn),且中間有水陽江相隔,該煤礦采空區(qū)對鐵路工程無影響。

        港口一礦位于線路DK91+300—DK93+400右側(cè)港口鎮(zhèn),煤層平均厚度1.39m,傾角約西偏北30°,最早于1974年開礦,于2001年關(guān)閉停采。根據(jù)井上井下對照圖和調(diào)查資料,港口一礦主要向遠(yuǎn)離線位的北西向開采,西側(cè)最大采深約500m,距離線位1 770m,東側(cè)采區(qū)距線位最近處約970m,開采深度僅150m。根據(jù)搜集資料和調(diào)查情況,結(jié)合煤層產(chǎn)狀,由于采空區(qū)距離線位較遠(yuǎn),且向遠(yuǎn)離線位的西側(cè)開采,可判斷采空區(qū)對鐵路工程無影響。

        烏石煤礦位于線路DK91+200—DK91+800右側(cè)約950m處,臨近港口一礦,開采時間為2009年4月—2012年4月,煤礦最大采深標(biāo)高約-250.000m,與港口一礦類似,遠(yuǎn)離線路方向開采,采空區(qū)對鐵路工程無影響。

        現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),民國時期,港口一礦附近淺部煤層存在私人小規(guī)模開采現(xiàn)象,由于年代久遠(yuǎn),且無檔案資料,未能收集到相關(guān)圖紙報(bào)告。詳細(xì)調(diào)查走訪得知,私采小煤窯集中在DK92+900—DK93+200右側(cè),距線路最近處約820m,采深≤100m,多為巷道式開采,巷道狹窄,寬1~2m。結(jié)合附近礦區(qū)煤層傾向,推斷可能的煤層分布范圍及深度,與走訪結(jié)果基本一致,判斷私采小煤窯對鐵路工程無影響。

        本線附近其他采空區(qū),如金山礦業(yè)、灰山趙村煤礦等,根據(jù)收集到的礦區(qū)資料和現(xiàn)場調(diào)查,采空區(qū)距線路較遠(yuǎn),均>1 500m,開采深度<500m,且向遠(yuǎn)離線路方向開采,采空區(qū)對線路方案無影響。

        通過分析各礦區(qū)資料可知,線路附近礦區(qū)以水陽江分割,煤層產(chǎn)狀及厚度相差不大,左側(cè)礦區(qū)采煤向西開采,離線路越近越深。發(fā)水煤礦從搜集資料來看,礦區(qū)邊界距離線路最近,且不排除超采、越線開采的可能,需要進(jìn)一步核實(shí)開采邊界和開采深度。勝利煤礦開采深度大,且向線路方向開采,但僅收集到礦區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)和部分礦區(qū)西北側(cè)采掘平面圖,對線路工程影響較大的西南側(cè)礦區(qū)資料缺失,需采取物探和深孔鉆探進(jìn)一步查明采空區(qū)邊界。

        線路右側(cè)煤礦采空區(qū)中,一方面開采方向遠(yuǎn)離線路方向,另外,開采邊界距線位相對較遠(yuǎn),對鐵路工程影響不大,下一步將針對勝利煤礦和發(fā)水煤礦開展物探和鉆探工作。

        3.2 物理勘探

        為進(jìn)一步核查勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)范圍和收集資料的可靠性,并核實(shí)是否存在越界開采情況,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況,采用高頻大地電磁測深法EH-4對采空區(qū)進(jìn)行物理勘探。根據(jù)采空區(qū)位置和礦區(qū)煤層產(chǎn)狀,在線路左側(cè)依次間隔一定距離布置6條縱測線和6條橫測線,共長11km。測線布置如圖 2所示。

        物探解譯成果表明,勝利煤礦范圍內(nèi),平行于線路的6條EH-4測線均無異常,表明在測線范圍內(nèi)無采空區(qū)。垂直于線路的3條EH-4測線均有異常,與收集到的礦區(qū)邊界基本吻合,與煤層深度略有差異。發(fā)水煤礦范圍內(nèi),平行于線路的1號測線無異常。2~6號測線在DK89+950—DK90+345段存在低阻凹陷區(qū),與收集到的采空區(qū)邊界資料、煤層資料和后期鉆探資料完全不符,判斷該區(qū)域受上方高壓線影響嚴(yán)重,為工頻干擾區(qū);垂直于線路的3條測線在-250.000~-50.000m均有異常,與收集到的礦區(qū)邊界基本吻合,與煤層深度有部分差異。

        3.3 深孔鉆探

        為進(jìn)一步確定對線路影響較大的勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)邊界、開采深度,在分析收集和調(diào)查資料及物探成果基礎(chǔ)上,共布置6個深孔進(jìn)行鉆探。布置原則如下:根據(jù)收集到的部分西北側(cè)采掘工程平面圖,勝利煤礦結(jié)合煤層走向和傾角,推測礦權(quán)范圍內(nèi)靠線路側(cè),其余采空區(qū)位置及礦區(qū)外可能的煤層埋深,據(jù)此布置鉆孔位置,確定設(shè)計(jì)孔深,在采空區(qū)內(nèi)部、開采邊界內(nèi)外側(cè)各布置1個鉆孔。發(fā)水煤礦在采空區(qū)內(nèi)部布置1個鉆孔,驗(yàn)證礦區(qū)資料準(zhǔn)確性,在礦區(qū)邊界外靠線路側(cè)布置2個鉆孔,核查是否越界開采。

        Jz-采空深1號鉆孔鉆至-562.060m,根據(jù)資料分析,假如此處有煤層,煤層標(biāo)高應(yīng)該在-550.000~-500.000m。鉆進(jìn)過程平穩(wěn),巖芯連續(xù)完整,未揭示采空區(qū),也未鉆到煤層,說明此鉆孔在礦區(qū)邊界外。Jz-采空深2號鉆孔揭示采空區(qū)位置標(biāo)高為-403.760~-396.460m,如圖3所示,空洞無充填物,漏水嚴(yán)重,礦區(qū)頂部10m范圍內(nèi),巖芯較破碎,其上巖體完整,采空區(qū)位置與根據(jù)部分采掘工程平面圖推測的礦區(qū)開采深度基本一致。Jz-采空深3鉆孔揭示采空區(qū)位置標(biāo)高為-323.580~-315.180m,如圖 4所示,其中-315.480~-315.180m為采空區(qū)頂部支撐枕木,-315.980~-315.480m為空洞、掉鉆,-323.980~-315.580m處充填物為砂巖、泥巖、局部夾少量水泥砂漿,鉆進(jìn)過程漏水嚴(yán)重。鉆探揭示的采空區(qū)位置與根據(jù)產(chǎn)狀推測的煤層位置及采深等高線和物探成果吻合。

        圖3 鉆孔2揭示的采空區(qū)空洞

        圖4 鉆孔3揭示的采空區(qū)及頂部支撐枕木

        根據(jù)7號測線物探、鉆探成果,結(jié)合煤層產(chǎn)狀、已知采空區(qū)邊界及調(diào)查資料綜合分析,推斷勝利煤礦采空區(qū)邊界位于Jz-采空深1號與Jz-采空深2號孔之間,從已知礦區(qū)邊界順煤層走向延長,煤層向線路方向逐漸尖滅,推測采空區(qū)邊界標(biāo)高為-465.000m,如圖5所示。

        圖5 勝利煤礦采空區(qū)

        發(fā)水煤礦Jz-采空深6號鉆孔揭示煤層位置標(biāo)高為-205.450~-202.250m,但沒有鉆到采空區(qū),煤層位置與收集到的發(fā)水礦業(yè)采掘工程平面圖中的煤層底板等高線標(biāo)高一致,與物探成果吻合,推測此處為煤礦保護(hù)煤柱。對于Jz-采空深4,5號孔,根據(jù)煤層產(chǎn)狀推測,如果5號孔下有煤層,應(yīng)該在-350.000m附近,如果4號孔下有煤層,應(yīng)該在-450.000m附近,而5號孔鉆至-451.350m,4號孔鉆至-549.660m均未鉆到煤層與采空區(qū),且?guī)r芯連續(xù)完整,說明發(fā)水煤礦采空區(qū)邊界在Jz-采空深5,6號鉆孔之間,煤層由鉆孔6向鉆孔5方向逐漸尖滅,如圖6所示,與收集的井上井下對照圖等資料一致。

        圖6 發(fā)水煤礦采空區(qū)

        4 采空區(qū)安全距離

        4.1 計(jì)算方法及參數(shù)選取

        煤礦大面積開采后,會形成移動盆地,自采空區(qū)邊界至地表塌陷變形邊界間的水平投影距離稱為影響帶寬度。在鐵路選線設(shè)計(jì)中,影響帶寬度一般以巖移角進(jìn)行估算,并增設(shè)一定寬度的圍護(hù)帶,圍護(hù)帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離,計(jì)算公式如下:

        M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

        (1)

        式中:L為圍護(hù)帶寬度(m);H1為松散層厚度(m);H2為頂板基巖厚度(m);φ為松散層坍塌擴(kuò)散角(°);δ為巖體坍塌擴(kuò)散角或巖移角(°),根據(jù)礦層走向與線位關(guān)系,可采用走向巖移角、傾向巖移角和斜向巖移角。

        在相關(guān)規(guī)范、手冊中,最常用的巖移角量有破壞角、移動角和邊界角,分別對應(yīng)移動盆地的均勻下沉區(qū)、移動區(qū)和輕微變形區(qū)。邊界角對應(yīng)移動盆地的最外邊界,一般是以地表下沉值10mm為標(biāo)準(zhǔn)劃分的,而移動角和破裂角對應(yīng)變形限值大[10]。高速鐵路對線下工程沉降變形要求高,無砟軌道路基工后沉降宜≤15mm,過渡段處差異沉降應(yīng)≤5mm,橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值為20~30mm,在上述3個移動角中只有邊界角能滿足高速鐵路對沉降要求,因此,采用邊界角計(jì)算高速鐵路附近采空區(qū)的安全距離。

        邊界角參考《鐵路工程地質(zhì)手冊》,通過移動角進(jìn)行計(jì)算:

        走向邊界角δ0=δ-15°

        (2)

        上山方向邊界角γ0=γ-15°

        (3)

        下山方向邊界角β0=β-15°(1-0.01α)

        (4)

        式中:δ,γ,β分別為走向、上下方向、下山方向移動角;α為礦層傾角。

        當(dāng)煤層走向與線位斜交時,需要采用斜交方向移動角帶入式(2),(4)中計(jì)算相應(yīng)邊界角,斜交移動角計(jì)算如下:

        (5)

        (6)

        式中:θ為線路走向與礦層走向夾角。

        根據(jù)我國某些煤礦移動盆地有關(guān)數(shù)值表,結(jié)合收集的礦區(qū)資料,參考《鐵路工程地質(zhì)手冊》,采用類比法取值。走向移動角δ取72.5°、上山方向移動角γ取70°、下山方向移動角β取53°。另外,本場區(qū)松散層一般厚10~30m,靠近線路處為水陽江沖積層,多為粗圓礫土,松散層坍塌擴(kuò)散角φ取45°。

        根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》,圍護(hù)帶寬度應(yīng)根據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級確定,如表1所示。

        表1 鐵路各保護(hù)等級的圍護(hù)帶寬度

        高速鐵路的保護(hù)等級為特級,圍護(hù)帶寬度取50m。

        4.2 計(jì)算斷面

        通過詳細(xì)的資料搜集和調(diào)查工作,輔以物探和深孔鉆探驗(yàn)證,查明對線路工程影響較大的勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)的范圍及開采深度。根據(jù)各礦區(qū)平面位置及采深,選取勝利煤礦采深最大且距離線位最近的礦區(qū)邊界A點(diǎn)、發(fā)水煤礦采深最大礦區(qū)邊界B點(diǎn)和距離線位最近的C點(diǎn),將礦區(qū)邊界作為采空區(qū)邊界進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表 2所示。

        表2 采空區(qū)安全距離計(jì)算

        由表2可以看出,線位距勝利煤礦和發(fā)水煤礦采空區(qū)邊界的平面距離均大于計(jì)算得到的安全距離,其中最不利的是勝利煤礦邊界A點(diǎn),距線位平面距離810m,采空區(qū)最大埋深-465.000m,安全距離為536m,采空區(qū)影響邊界距離線位尚有274m的距離,故本線繞避煤礦采空區(qū)影響范圍。

        5 結(jié)語

        1)采空區(qū)資料的搜集和調(diào)查走訪工作是基礎(chǔ),也是最關(guān)鍵的,直接影響物探和鉆探工作的開展,外業(yè)勘察期間一定要通過各種方式,盡可能齊全地收集礦區(qū)開采的相關(guān)圖件報(bào)告,并加強(qiáng)走訪調(diào)查工作,確保資料可靠性。

        2)在收集調(diào)查資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)開采規(guī)模、煤層產(chǎn)狀及礦區(qū)與線路的相對關(guān)系,對各煤礦采空區(qū)對線路方案的影響進(jìn)行初步分析判斷。針對重點(diǎn)煤礦采空區(qū),輔以必要的物探、深孔鉆探及計(jì)算分析,詳細(xì)查明采空區(qū)的開采范圍及影響邊界。

        3)大面積煤礦采空區(qū)的安全距離應(yīng)根據(jù)線路走向與礦層關(guān)系,采用相應(yīng)移動角進(jìn)行計(jì)算,高速鐵路由于對沉降變形控制嚴(yán)格,需采用邊界角進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)鐵路等級增設(shè)一定圍護(hù)帶寬度。

        高速鐵路對沉降及穩(wěn)定性的要求非常嚴(yán)格,通過以上綜合分析與評價,本線繞避汪溪港口一帶煤礦密集煤礦采空區(qū)的影響范圍,但為確保工程安全,施工及運(yùn)營過程中尚應(yīng)加強(qiáng)對臨近采空區(qū)工程的安全監(jiān)測和變形觀測。

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