某客运专线大面积采空区勘察评价

韩会勋

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

某新建客运专线穿越辽宁本溪煤田。该煤田开发利用历史较长，采空区密布且杂乱。为科学规划线路，确保铁路建设运营安全，需对该客专DK53+200～DK67+200穿越采空区段落进行勘察评价研究工作[1]。

1 煤田地质及采空区概况

1.1 煤田地质

本溪煤田地层发育比较完整，地层从老到新，古生界、中生界和新生界均有发育。本溪煤田含煤地层为石炭系，二迭系太原组和山西组地层[2]。太原组地层厚度约100 m，含煤7层，其中主采煤层为六、七、八号煤。六号煤为焦煤，全区均有发育，局部可采。七号煤和八号煤为焦煤和贫煤复合煤层，全区发育且可采。煤层顶底板以中粗砂岩、砂质页岩及片状页岩为主。山西组地层厚度约156 m，含煤7层，可采煤层为一、二、四、五层。煤层顶板为层状黑色细砂岩、灰色页岩，底板为灰色粗砂岩、砂质页岩和页岩，煤层结构简单，较稳定，全区发育，局部可采。本溪井田煤层和煤质情况见表1。

表1 本溪井田煤层和煤质情况

1.2 采空区概况

经搜集查阅各开采矿井图纸技术资料，确认客专DK53+200～DK67+200段区域内的地下采空区主要由原本溪煤矿及彩屯煤矿在1960年至1986年开采形成，总面积为2.86 km2，分布在以下5个区域(A/B/C/D/E)。

①A采空区

位于客运专线正下方，西部边界为彩屯大桥保护煤柱，面积为1.35 km2。

②B采空区

位于客运专线以北162 m，南部边界为公路桥保护煤柱，面积为0.58 km2。

③C采空区

位于客运专线以北418 m，南部边界为乙线桥保护煤柱，西部边界为甲线保护煤柱，面积为0.26 km2。

④D采空区

位于客运专线以西645 m，面积为0.10 km2。

⑤E采空区

位于客运专线正下方，东部边界为公路桥保护煤柱，面积为0.57 km2。

各采空区与线路位置关系见图1。

图1 评价线路与各采空区位置关系

表2为各采空区煤层开采技术参数。

表2 采空区煤层开采技术参数

2 采空区勘察

采用钻探和孔内电视相结合的综合勘察方法，用以判定煤层开采情况、煤柱变形破坏情况、上覆岩层完整性、采空区充填情况，进而分析验证采空区的“三带”分布。钻孔位置如图1所示。

2.1 1号钻孔主要勘探成果

(1)煤层及采动情况

钻探揭示2层煤：391.2～392.6 m为页岩夹薄煤层；451.3～458 m为煤层，顶、底板均为砂岩。根据标志层对比判定，两煤层分别为五号煤和七号煤。

五号煤层的钻进过程中无掉钻、卡钻现象，且彩屯矿和本溪矿均未在该区域开采过五号煤层，钻孔电视也未显示有采动迹象。

七号煤层的钻进过程中无明显掉钻、卡钻现象，进尺速度较快，漏浆量略增，煤层取芯齐全，破碎呈块状。依此判定，该处为保护煤柱范围，未开采，与原搜集资料相符。

(2)保护煤柱变形破坏情况

1号钻孔揭示煤柱为采区残留煤柱，宽40～65 m。钻孔位于煤层倾向上，距离C采空区边界8.0 m。根据矿山压力理论，钻孔处于煤柱塑性核心区内。孔内电视(见图2)显示，侧壁岩层连续，无明显垮落和裂隙，说明煤柱未垮落破坏。

图2 勘1孔电视监测成像

(3)上覆岩层完整性

15～235 m以侏罗系砂岩为主，岩芯较完整，平均取芯率约为65%。说明该段处于C采空区弯曲带中。235 m以下为以砂岩、页岩、泥岩等为主的石炭—二叠系含煤地层，岩芯破碎程度显著增加，平均取芯率约为40%。375.5 m深度附近发育厚层页岩，岩芯极破碎，说明该段受到C采空区裂隙带的影响。

2.2 2号钻孔主要勘探成果

(1)煤层及采动情况

钻孔处于线位右侧约10 m位置(E采空区内)，共揭示5层煤，赋存于335.2～445.0 m深度范围内。煤层顶、底板多以页岩为主，底层煤页岩底板以下见厚层灰岩。根据标志层对比判定，5个煤层分别为三、四、五、六、七号煤。

七号煤层的钻进过程中，掉钻、卡钻现象不明显，进尺较快，浆液大量漏失，岩芯极破碎，夹有大量煤屑。该区域为彩屯煤矿东四采空区，采空高度约4.6 m。煤层底板高程为-335 m，埋深445 m左右。

(2)采空区充填状态

七号煤层采空区钻进过程中无明显掉钻、卡钻现象，采空区上覆砂岩层岩芯完整。孔内电视显示，侧壁岩层连续，无明显空洞、裂隙存在。但钻进过程中进尺较快，浆液大量漏失，岩芯极破碎，说明采空区充填物呈松散状(如图3所示)。

图3 勘2孔电视监测成像

(3)上覆岩层完整性

15～235 m以侏罗系砂岩为主，岩芯较完整，平均取芯率约为65%，无连续漏水现象，说明该段处于E采空区弯曲带中。

240～260 m为厚层页岩。以下为以砂岩、页岩、泥岩为主的石炭—二叠系含煤地层，岩芯破碎程度显著增加，平均取芯率约为40%，说明该段受到E采空区裂隙带的影响。

2.3 采空区“三带”分布

本溪煤矿和彩屯煤矿分别于1963年和1966年采用巷道观测法和钻探冲洗液消耗量法进行了覆岩破坏“三带”高度的探测。探测得出，本溪井田覆岩垮落带高度为煤层采厚的1.43～3.9倍，导水裂缝带高度为煤层采厚的15.6～29.7倍，结果见表3[1]。钻孔和孔内电视揭示的“三带”分布与该结果基本相符，数据成果可应用于采空区评价。

表3 本溪井田覆岩破坏“三带”高度

3 采空区评价

该采空区为典型的“重复采动老采空区”，移动变形机理复杂，应采用多种方法相互印证对比的综合评价方式[3-8]。

3.1采空区移动变形延续时间评价

评价区域内的采空区埋深249～869 m，形成时间为1960年至1986年。根据该采空区移动变形延续时间规律，采空区集中移动变形时间为3.5～5.5a，集中移动期已结束，现处于残余变形阶段(见表4、表5)。

表4 本溪煤田集中移动变形延续时间

表5 各采空区影响地表移动变形延续时间

3.2 地表移动影响范围评价

图4 软件简介

采用“铁路下伏采空区变形预计及可视化分析系统(RUGPAS1.0)”进行残余变形计算(见图4)，计算结果为总残余变形量。

其控制数据输入、预计参数输入、残余变形参数输入如图5～图7。

图5 控制数据输入界面及数据

图6 预计参数输入界面及数据

图7 残余变形参数输入界面及数据

移动变形等值线绘制与三维可视化显示如图8、图9。根据图8中线路与沉降区位置关系可知，客运专线引入本溪站必须穿越沉降区。受曲率半径限制，采用城际铁路有砟时速160 km的标准进行设计。因此，对采空区沉降变形进行准确预测，使线位在变形量较小的区域通过成为评价的关键点。

图8 RUGPAS绘制残余变形下沉等值线成果

图9 采空区变形三维可视化显示

通过RUGPAS将下沉值放大1 000倍后的三维可视化显示(图9)，可更直观的看出方案虽然受到两个采空区的共同影响，但未通过最大沉降区，说明采用的采空区选线方法是成功的。

城际铁路有砟时速160 km标准一般路基地段要求工后沉降量≤200 mm，年沉降量≤50 mm。根据图10可知，客专沿线最大残余沉降量为230 mm。按照沉降速度呈指数递减规律的原则计算，至客专铺轨前已完成沉降约108 mm，最大年沉降量约6 mm，剩余沉降约122 mm，满足工后沉降量要求。

图10 客专采空区沿线沉降量剖面

3.3 采空区稳定性评价

本溪煤田煤层在开采深度与煤层采出厚度比<30条件下，可导致裂隙带发展到地表，造成地表出现非连续变形和塌陷破坏[9-13]。客专DK53+200～DK67+200段评价区域内5个采空区深厚比在82～362之间，裂缝带岩层(第四系表土层按20 m计)上方有厚度157～777 m处于整体弯曲状态的岩层，地表不具备突然塌陷的条件。各采空区覆岩弯曲带岩层厚度计算结果见表6。

表6 采空区覆岩弯曲带岩层厚度计算结果

4 结论

(1)利用资料搜集、调查、钻探、孔内电视成像等综合勘察手段，查明了采空区平面及空间分布形态，为科学规划选线提供了有力的支撑。

(2)利用统计、计算、三维可视化等综合评价方法，分析采空区移动变形的时空规律，为铁路建设、运营、维护提供了强大的数据支持，并起到了探索“铁路下伏采空区残余变形综合评价”的作用。

[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建铁路沈阳至丹东铁路客运专线设计文件[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011

[2] 范学理、刘文生、赵德深，等.中国东北煤矿区开采损害防护理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1998

[3] 秦爽，李国和.基于采空区移动过程的残余变形推论[J].铁道标准设计，2014，58(S1):22-24

[4] 张永波.老采空区建筑地基稳定性及其变形破坏规律的研究[D].太原：太原理工大学，2005

[5] 王正帅.老采空区残余沉降非线性预测理论及应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2011

[6] 王明立，张华兴.采煤沉陷区地表残余移动变形的计算分析[C]∥全国开采沉陷规律与“三下”采煤学术会议论文集.北京：中国煤炭学会，2005

[7] 白国良，李树志，高均海.老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究[J].煤矿开采，2010，15(5):11-13

[8] 刘宝探，廖国华.煤矿地表移动的基本规律[M].北京：中国工业出版社，1965

[9] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1996

[10] 李国和.基于洞顶岩体应力传递的小型采空区稳定性评价方法研究[J].铁道标准设计，2015(11):74-78

[11] 姜福兴.矿山压力与岩层控制[M].北京：煤炭工业出版社，2004

[12] 张志沛，王芝银，刘旭.高速公路与下伏煤矿采空区的长期稳定性分析[J].西安科技大学学报，2005(4):415-419

[13] 郭广礼.老采空区上方建筑地表变形机理及其控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001