韓會(huì)勛

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

某新建客運(yùn)專線穿越遼寧本溪煤田。該煤田開(kāi)發(fā)利用歷史較長(zhǎng)，采空區(qū)密布且雜亂。為科學(xué)規(guī)劃線路，確保鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)該客專DK53+200～DK67+200穿越采空區(qū)段落進(jìn)行勘察評(píng)價(jià)研究工作[1]。

1 煤田地質(zhì)及采空區(qū)概況

1.1 煤田地質(zhì)

本溪煤田地層發(fā)育比較完整，地層從老到新，古生界、中生界和新生界均有發(fā)育。本溪煤田含煤地層為石炭系，二迭系太原組和山西組地層[2]。太原組地層厚度約100 m，含煤7層，其中主采煤層為六、七、八號(hào)煤。六號(hào)煤為焦煤，全區(qū)均有發(fā)育，局部可采。七號(hào)煤和八號(hào)煤為焦煤和貧煤復(fù)合煤層，全區(qū)發(fā)育且可采。煤層頂?shù)装逡灾写稚皫r、砂質(zhì)頁(yè)巖及片狀頁(yè)巖為主。山西組地層厚度約156 m，含煤7層，可采煤層為一、二、四、五層。煤層頂板為層狀黑色細(xì)砂巖、灰色頁(yè)巖，底板為灰色粗砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和頁(yè)巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育，局部可采。本溪井田煤層和煤質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 本溪井田煤層和煤質(zhì)情況

1.2 采空區(qū)概況

經(jīng)搜集查閱各開(kāi)采礦井圖紙技術(shù)資料，確認(rèn)客專DK53+200～DK67+200段區(qū)域內(nèi)的地下采空區(qū)主要由原本溪煤礦及彩屯煤礦在1960年至1986年開(kāi)采形成，總面積為2.86 km2，分布在以下5個(gè)區(qū)域(A/B/C/D/E)。

①A采空區(qū)

位于客運(yùn)專線正下方，西部邊界為彩屯大橋保護(hù)煤柱，面積為1.35 km2。

②B采空區(qū)

位于客運(yùn)專線以北162 m，南部邊界為公路橋保護(hù)煤柱，面積為0.58 km2。

③C采空區(qū)

位于客運(yùn)專線以北418 m，南部邊界為乙線橋保護(hù)煤柱，西部邊界為甲線保護(hù)煤柱，面積為0.26 km2。

④D采空區(qū)

位于客運(yùn)專線以西645 m，面積為0.10 km2。

⑤E采空區(qū)

位于客運(yùn)專線正下方，東部邊界為公路橋保護(hù)煤柱，面積為0.57 km2。

各采空區(qū)與線路位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 評(píng)價(jià)線路與各采空區(qū)位置關(guān)系

表2為各采空區(qū)煤層開(kāi)采技術(shù)參數(shù)。

表2 采空區(qū)煤層開(kāi)采技術(shù)參數(shù)

2 采空區(qū)勘察

采用鉆探和孔內(nèi)電視相結(jié)合的綜合勘察方法，用以判定煤層開(kāi)采情況、煤柱變形破壞情況、上覆巖層完整性、采空區(qū)充填情況，進(jìn)而分析驗(yàn)證采空區(qū)的“三帶”分布。鉆孔位置如圖1所示。

2.1 1號(hào)鉆孔主要勘探成果

(1)煤層及采動(dòng)情況

鉆探揭示2層煤：391.2～392.6 m為頁(yè)巖夾薄煤層；451.3～458 m為煤層，頂、底板均為砂巖。根據(jù)標(biāo)志層對(duì)比判定，兩煤層分別為五號(hào)煤和七號(hào)煤。

五號(hào)煤層的鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，且彩屯礦和本溪礦均未在該區(qū)域開(kāi)采過(guò)五號(hào)煤層，鉆孔電視也未顯示有采動(dòng)跡象。

七號(hào)煤層的鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)明顯掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，進(jìn)尺速度較快，漏漿量略增，煤層取芯齊全，破碎呈塊狀。依此判定，該處為保護(hù)煤柱范圍，未開(kāi)采，與原搜集資料相符。

(2)保護(hù)煤柱變形破壞情況

1號(hào)鉆孔揭示煤柱為采區(qū)殘留煤柱，寬40～65 m。鉆孔位于煤層傾向上，距離C采空區(qū)邊界8.0 m。根據(jù)礦山壓力理論，鉆孔處于煤柱塑性核心區(qū)內(nèi)。孔內(nèi)電視(見(jiàn)圖2)顯示，側(cè)壁巖層連續(xù)，無(wú)明顯垮落和裂隙，說(shuō)明煤柱未垮落破壞。

圖2 勘1孔電視監(jiān)測(cè)成像

(3)上覆巖層完整性

15～235 m以侏羅系砂巖為主，巖芯較完整，平均取芯率約為65%。說(shuō)明該段處于C采空區(qū)彎曲帶中。235 m以下為以砂巖、頁(yè)巖、泥巖等為主的石炭—二疊系含煤地層，巖芯破碎程度顯著增加，平均取芯率約為40%。375.5 m深度附近發(fā)育厚層頁(yè)巖，巖芯極破碎，說(shuō)明該段受到C采空區(qū)裂隙帶的影響。

2.2 2號(hào)鉆孔主要勘探成果

(1)煤層及采動(dòng)情況

鉆孔處于線位右側(cè)約10 m位置(E采空區(qū)內(nèi))，共揭示5層煤，賦存于335.2～445.0 m深度范圍內(nèi)。煤層頂、底板多以頁(yè)巖為主，底層煤頁(yè)巖底板以下見(jiàn)厚層灰?guī)r。根據(jù)標(biāo)志層對(duì)比判定，5個(gè)煤層分別為三、四、五、六、七號(hào)煤。

七號(hào)煤層的鉆進(jìn)過(guò)程中，掉鉆、卡鉆現(xiàn)象不明顯，進(jìn)尺較快，漿液大量漏失，巖芯極破碎，夾有大量煤屑。該區(qū)域?yàn)椴释兔旱V東四采空區(qū)，采空高度約4.6 m。煤層底板高程為-335 m，埋深445 m左右。

(2)采空區(qū)充填狀態(tài)

七號(hào)煤層采空區(qū)鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)明顯掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，采空區(qū)上覆砂巖層巖芯完整。孔內(nèi)電視顯示，側(cè)壁巖層連續(xù)，無(wú)明顯空洞、裂隙存在。但鉆進(jìn)過(guò)程中進(jìn)尺較快，漿液大量漏失，巖芯極破碎，說(shuō)明采空區(qū)充填物呈松散狀(如圖3所示)。

圖3 勘2孔電視監(jiān)測(cè)成像

(3)上覆巖層完整性

15～235 m以侏羅系砂巖為主，巖芯較完整，平均取芯率約為65%，無(wú)連續(xù)漏水現(xiàn)象，說(shuō)明該段處于E采空區(qū)彎曲帶中。

240～260 m為厚層頁(yè)巖。以下為以砂巖、頁(yè)巖、泥巖為主的石炭—二疊系含煤地層，巖芯破碎程度顯著增加，平均取芯率約為40%，說(shuō)明該段受到E采空區(qū)裂隙帶的影響。

2.3 采空區(qū)“三帶”分布

本溪煤礦和彩屯煤礦分別于1963年和1966年采用巷道觀測(cè)法和鉆探?jīng)_洗液消耗量法進(jìn)行了覆巖破壞“三帶”高度的探測(cè)。探測(cè)得出，本溪井田覆巖垮落帶高度為煤層采厚的1.43～3.9倍，導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層采厚的15.6～29.7倍，結(jié)果見(jiàn)表3[1]。鉆孔和孔內(nèi)電視揭示的“三帶”分布與該結(jié)果基本相符，數(shù)據(jù)成果可應(yīng)用于采空區(qū)評(píng)價(jià)。

表3 本溪井田覆巖破壞“三帶”高度

3 采空區(qū)評(píng)價(jià)

該采空區(qū)為典型的“重復(fù)采動(dòng)老采空區(qū)”，移動(dòng)變形機(jī)理復(fù)雜，應(yīng)采用多種方法相互印證對(duì)比的綜合評(píng)價(jià)方式[3-8]。

3.1采空區(qū)移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)埋深249～869 m，形成時(shí)間為1960年至1986年。根據(jù)該采空區(qū)移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間規(guī)律，采空區(qū)集中移動(dòng)變形時(shí)間為3.5～5.5a，集中移動(dòng)期已結(jié)束，現(xiàn)處于殘余變形階段(見(jiàn)表4、表5)。

表4 本溪煤田集中移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間

表5 各采空區(qū)影響地表移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間

3.2 地表移動(dòng)影響范圍評(píng)價(jià)

圖4 軟件簡(jiǎn)介

采用“鐵路下伏采空區(qū)變形預(yù)計(jì)及可視化分析系統(tǒng)(RUGPAS1.0)”進(jìn)行殘余變形計(jì)算(見(jiàn)圖4)，計(jì)算結(jié)果為總殘余變形量。

其控制數(shù)據(jù)輸入、預(yù)計(jì)參數(shù)輸入、殘余變形參數(shù)輸入如圖5～圖7。

圖5 控制數(shù)據(jù)輸入界面及數(shù)據(jù)

圖6 預(yù)計(jì)參數(shù)輸入界面及數(shù)據(jù)

圖7 殘余變形參數(shù)輸入界面及數(shù)據(jù)

移動(dòng)變形等值線繪制與三維可視化顯示如圖8、圖9。根據(jù)圖8中線路與沉降區(qū)位置關(guān)系可知，客運(yùn)專線引入本溪站必須穿越沉降區(qū)。受曲率半徑限制，采用城際鐵路有砟時(shí)速160 km的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，對(duì)采空區(qū)沉降變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，使線位在變形量較小的區(qū)域通過(guò)成為評(píng)價(jià)的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖8 RUGPAS繪制殘余變形下沉等值線成果

圖9 采空區(qū)變形三維可視化顯示

通過(guò)RUGPAS將下沉值放大1 000倍后的三維可視化顯示(圖9)，可更直觀的看出方案雖然受到兩個(gè)采空區(qū)的共同影響，但未通過(guò)最大沉降區(qū)，說(shuō)明采用的采空區(qū)選線方法是成功的。

城際鐵路有砟時(shí)速160 km標(biāo)準(zhǔn)一般路基地段要求工后沉降量≤200 mm，年沉降量≤50 mm。根據(jù)圖10可知，客專沿線最大殘余沉降量為230 mm。按照沉降速度呈指數(shù)遞減規(guī)律的原則計(jì)算，至客專鋪軌前已完成沉降約108 mm，最大年沉降量約6 mm，剩余沉降約122 mm，滿足工后沉降量要求。

圖10 客專采空區(qū)沿線沉降量剖面

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本溪煤田煤層在開(kāi)采深度與煤層采出厚度比<30條件下，可導(dǎo)致裂隙帶發(fā)展到地表，造成地表出現(xiàn)非連續(xù)變形和塌陷破壞[9-13]?？蛯K53+200～DK67+200段評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)5個(gè)采空區(qū)深厚比在82～362之間，裂縫帶巖層(第四系表土層按20 m計(jì))上方有厚度157～777 m處于整體彎曲狀態(tài)的巖層，地表不具備突然塌陷的條件。各采空區(qū)覆巖彎曲帶巖層厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 采空區(qū)覆巖彎曲帶巖層厚度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)利用資料搜集、調(diào)查、鉆探、孔內(nèi)電視成像等綜合勘察手段，查明了采空區(qū)平面及空間分布形態(tài)，為科學(xué)規(guī)劃選線提供了有力的支撐。

(2)利用統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、三維可視化等綜合評(píng)價(jià)方法，分析采空區(qū)移動(dòng)變形的時(shí)空規(guī)律，為鐵路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，并起到了探索“鐵路下伏采空區(qū)殘余變形綜合評(píng)價(jià)”的作用。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路沈陽(yáng)至丹東鐵路客運(yùn)專線設(shè)計(jì)文件[Z].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011

[2] 范學(xué)理、劉文生、趙德深，等.中國(guó)東北煤礦區(qū)開(kāi)采損害防護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998

[3] 秦爽，李國(guó)和.基于采空區(qū)移動(dòng)過(guò)程的殘余變形推論[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(S1):22-24

[4] 張永波.老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性及其變形破壞規(guī)律的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2005

[5] 王正帥.老采空區(qū)殘余沉降非線性預(yù)測(cè)理論及應(yīng)用研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011

[6] 王明立，張華興.采煤沉陷區(qū)地表殘余移動(dòng)變形的計(jì)算分析[C]∥全國(guó)開(kāi)采沉陷規(guī)律與“三下”采煤學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，2005

[7] 白國(guó)良，李樹(shù)志，高均海.老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機(jī)理研究[J].煤礦開(kāi)采，2010，15(5):11-13

[8] 劉寶探，廖國(guó)華.煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965

[9] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996

[10] 李國(guó)和.基于洞頂巖體應(yīng)力傳遞的小型采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015(11):74-78

[11] 姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004

[12] 張志沛，王芝銀，劉旭.高速公路與下伏煤礦采空區(qū)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(4):415-419

[13] 郭廣禮.老采空區(qū)上方建筑地表變形機(jī)理及其控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001