萧县穆集煤矿矿井抽水对郑徐客专沉降稳定的影响

贾智富

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030000)

1 工程概况

郑州至徐州客运专线位于河南省、安徽省和江苏省境内，西起河南省郑州市，沿途经过安徽省，东至江苏省徐州市。线路西连郑州枢纽，与郑西客运专线及京广客运专线(在建)衔接，东接徐州枢纽，与京沪高速铁路衔接。线路全长近362km。设计速度目标值350km/h，轨道类型为无碴轨道，正线数目为双线。郑徐客专绝大部分地处黄淮冲积平原上，地势平坦、开阔，在通过安徽省萧县穆集煤矿上方时，线路以桥梁形式通过。

1.1 地层岩性

矿区范围被第四系地层所覆盖，钻孔揭露基岩大多是上古生界二叠系地层，有个别钻孔揭露到石炭系太原组顶部地层，现将区内所见地层自老至新简述如下:

1)石炭系(C):主要由灰岩、泥岩、砂岩、粉砂岩及煤层组成，属海相和过渡相沉积，揭露最大厚度15.6 m。

2)二叠系(P):上部以杂色泥岩、粉砂岩为主，偶见炭质泥岩及波煤层。中下部以砂岩为主，夹粉砂岩、泥岩，含煤1层～4层，含煤系数为 1%，层厚531.28 m～1 453.69 m，平均992.49 m。

3)第三系(N):以冲洪积～残坡积相砾石、砂砾、粘土砾石、粘土质砂为主，厚度50.60 m～70.42 m，平均60.51 m。

4)第四系(Q):岩性以土黄色、棕黄色及少量棕红色粘土、砂质粘土为主，夹0层～3层薄层砂和粘土质砂。厚度40.50 m～50.80 m，平均45.65 m。

1.2 地质构造

本区位于徐宿弧形构造外缘的大吴集复式向斜的东翼，形成于印支～燕山期，并为后期构造运动和复杂化。区内主要构造线呈北东～北北东方向展布，褶皱为主要形式，断裂构造破坏了褶皱形态的完整性。

红柳树背斜是本区的主要构造，几乎贯穿南北，背斜轴走向长约6km，轴向NNE～NE向，为一宽缓型背斜，两翼倾角一般为8°～15°。

1.3 水文地质

按含水介质、孔隙类型和地下水赋存条件，工程沿线的地下水可划分为松散岩类孔隙水、红层孔隙裂隙水。

1)松散岩类孔隙水含水岩组的岩性主要由全新统及上更新统粘性土、粉细砂及粉砂组成。岩相、岩性不论在水平方向上，还是在垂直方向上变化均较大，一般具上细下粗的“二元结构”或粗细相间的“多元结构”。单井涌水量100 m3/d～500m3/d。

2)红层孔隙裂隙水主要分布于区域的北部，含水层为第三系砾岩、砂质泥岩、粉砂岩。由于“红层”裂隙不发育，其富水性差，单井涌水量小于100 m3/d。水化学类型为Cl·SO4-Na，矿化度大多小于 2.0g/L。

2 矿井抽水对郑徐客专沉降稳定影响的评估

2.1 定量计算

在地下开采煤层垮塌情况下，导致隔水层破坏，潜水层水流沿移动角向井内渗流。根据《建筑与市政降水工程技术规范》［2］，可以求出安徽省萧县穆集煤矿区抽水时距离抽水点的水平距离与水位降深的关系曲线，详见图1。

图1 矿井抽水时距离—降深曲线图

潜水完整井:

其中，S为距井排处的水位下降值，m;H为潜水含水层厚度，m;h为降水井排处的含水层厚度，m;L为任一点至井排的距离，m;R为抽水影响半径，m;K为渗透系数，m/d。

在多层含水层条件下，当地下水只在潜水含水层变化，其他含水层水位或水头不变，潜水水位大面积下降前后，各土层均达到稳定渗流状态。抽水引起的地面最终沉降量计算公式如下所示［3］:

为了满足S地面沉降≤15mm的高铁规范要求，参考安徽省萧县穆集煤矿区地层土工试验的物理力学参数(见表1)，可以求出拟建铁路中心处允许水位降深Δh≤3.1m。

表1 安徽省萧县穆集煤矿区物理力学指标统计表

由矿井抽水时距离—降深曲线图以及潜水含水层垮塌半径可知，郑徐客专线路中心线距离矿井的水平安全距离为铁路中心至保护带边界的距离+抽水影响半径+虚拟抽水井至矿区边界的水平距离=439m。

2.2 数值模拟分析

采用基于有限差分法的FLAC软件［4］，对萧县穆集煤矿抽水引起地表位移特征进行数值模拟，分别考虑在距离铁路中线左右侧不同距离抽水情况对铁路沉降的影响，作出水平位移等值线图和垂直位移等值线图，分析其位移特征，进行稳定性评价。

对线路左侧的萧县穆集煤矿进行抽水，在距离铁路中心397m时，保护带边界最大水平位移和最大竖直位移图见图2，图3。

图2 左侧抽水引起地表水平位移等值线图

图3 左侧抽水引起地表竖直位移等值线图

线路左侧矿层抽水引起地表沉降量见表2，由表中数据可知，左侧抽水在距离铁路中心397m时，线路保护带边界最大竖向沉降量为13.8mm，满足高铁要求的15mm沉降量。因此抽水引起的线路左侧安全保护距离为397m。

表2 线路左侧矿层抽水对地表的沉降影响值

同理，对线路右侧煤层抽水范围进行试算，当距离铁路中心415m时，地表最大水平位移和最大竖直位移图见图4，图5。

图4 右侧抽水引起地表水平位移等值线图

图5 右侧抽水引起地表竖直位移等值线图

线路右侧矿层抽水引起地表沉降量见表3，由表中数据可知，右侧抽水在距离铁路中心415m时，线路中心最大竖向沉降量为14.7mm，满足高铁要求的15mm沉降量。因此抽水引起的线路右侧安全保护距离为415 m。

3 初步治理方案

基于上述矿井抽水对地表沉降稳定影响的研究，提出以下治理采空区抽水对地表稳定影响的初步方案。

表3 线路右侧矿层抽水对地表的沉降影响值

1)采用充填采矿法:利用适当的填充材料，填补采矿所留下的采空区，可以大大减少地面岩层的移动，减小地面塌陷的范围和幅度，并且可以使岩层移动过程平缓发展。采用充填采矿法，可以增加采空区的支撑作用，对覆岩和矿柱进行维护，防止采空区的大规模冒落。对控制地表变形的控制方面具有重要意义［5］。

2)减少矿井抽水的影响:矿层开采后应及时对周围岩土采取封堵措施，防止地下水进入工作区，这样就可以有效减少矿井的抽水量，降低由于抽水引起的地面沉降影响。

3)协调开采:当同时开采几个矿层时，要合理布置采空区，使其错开一定距离，以使引起的地表拉伸和压缩变形相互抵消或部分抵消，从而减少地面的变形量。

4 结论及建议

1)综合以上分析，分别采用理论分析及FLAC数值模拟分析两种方法求出矿层抽水引起的高铁安全保护距离，可以看出，理论分析法计算结果比FLAC数值模拟法计算的安全距离小，考虑到数值模拟参数的选择是利用现有搜集资料分析而得，当岩层的物理力学性质参数稍有变化时，对评估结果影响较大，故本次安全距离评估以理论分析法为准，以数值模拟方法为参考，得出萧县穆集煤矿抽水引起郑徐客专安全保护距离为439 m。

2)依据《铁路运输安全保护条例》规定:“在铁路线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起各1 000米范围内，禁止从事采矿作业。”本文通过多种方法对比分析矿层开采抽水对铁路安全保护距离的影响，使铁路的修建尽量少压覆煤层，减小不必要的矿产压覆，具有非常大的现实意义和经济效益。

3)建议矿区采取相应措施减少由抽水引起高速铁路沉降稳定的影响，并建立观测网监测地表变形情况，避免地面沉降不均匀对铁路工程的影响，确保铁路的运营安全。

［1］Holzer，T.L.Preconsolidation stress of aquifer systems in areas of induced land subsidence［J］.Water Resour.Res.，1981，17(3):693-704.

［2］JGJ/T 111-98，建筑与市政降水工程技术规范［S］.

［3］周载阳.地下水开采引起地面沉降的机理研究［J］.工程勘察，2012(8):37-45.

［4］刘 波，韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005:98-124.

［5］纪万斌.工程塌陷与治理［M］.北京:地震出版社，1998:136-144.