高速铁路大面积密集煤矿采空区工程地质勘察及评价*

王亚威

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

近年来，我国铁路事业取得快速发展，路网覆盖范围广、密度大，另一方面我国矿产资源丰富，开采历史悠久，遗留大量采空区，铁路建设过程中，不可避免地会穿越采空区。宁杭客专、合福高铁、宁安城际、沪昆客专、太焦铁路等多条铁路工程都遇到不同程度的采空区问题[1-4]。

许多学者进行相关研究，李国和等[5]总结采空区铁路勘察选线设计的基本流程和方法，提出采空区铁路选线安全距离计算方法和相关参数选取标准。韩会勋[6]采用资料搜集、调查、钻探、孔内电视成像相结合的勘察方法，查明采空区平面、空间分布形态及残余移动变形的时空规律。姚成志、孙林[7-8]通过地质测绘调查、物探结合钻探，查明某小型采空区的分布范围及其对工程的影响。李志华[9]对采空区综合物探方法进行系统讨论和总结，提出铁路采空区综合物探工作模式。王旭[10]总结小煤窑采空区的稳定性评价标准及处理措施。

高速铁路对线下工程变形要求极高，必须详细查明地下采空区的情况，评价稳定性及其对铁路工程的影响，以便保证铁路工程安全。本文以某高速铁路通过大面积密集煤矿采空区为案例，通过采用资料搜集及调查分析、物理勘探和深孔钻探相结合的综合勘察方法，查明线路附近各煤矿采空区的分布情况，分析评价采空区对铁路工程的影响。

1 工程概况

宁国市汪溪港口一带煤矿富集，某高速铁路DK87+800—DK93+400段从汪溪镇、港口镇煤矿采空区之间穿越，如图 1所示。线路左侧分布有兆坤煤矿、胜利煤矿、发水煤矿，右侧分布有港口一矿、乌石矿业、赵村煤矿、金山煤矿和民国时期私采小煤窑等，煤矿数量多，开采规模不一，给勘察设计工作带来挑战。

图1 矿区分布示意

2 采空区工程地质条件

测区属水阳江冲积阶地，局部为剥蚀残丘，地面标高35.000～100.000m。地层岩性主要为三迭系下统殷坑组(T1y)灰岩夹泥薄层灰岩、炭质灰岩，二迭系上统大隆组(P2d)炭质页岩、炭质灰岩，二迭系上统龙潭组(P2l)炭质页岩、砂岩、泥岩。煤层位于二迭系龙潭组煤系中部的炭质页岩、砂岩中。该区域含煤3层，由下而上为A，B，C层，仅C煤层可采，厚度0.61～2.03m，煤质属高灰、高硫，低磷，为肥气煤。煤层走向北东—西南30°左右，倾向北西。煤层倾角30°～50°。井田多为单斜构造，区内构造以斜交断层为主，层间滑动尤为突出。

3 采空区工程地质勘察

3.1 资料搜集、调查及分析

采空区资料搜集和调查走访工作是开展采空区综合勘察工作的基础，也是最关键的一步，直接影响后续物探、钻探工作的开展。本项目勘察期间，组织大量人力物力，通过各种方式，尽可能收集齐全各矿区开采的相关图纸报告，并走访多位矿区负责人和老矿工。现场核查矿区井口位置，并调查区域内岩性、产状及地面塌陷情况。通过相互验证矿区拐点坐标、采掘工程平面图及现场调查矿井口等标志性位置，确保资料可靠性，初步查明各煤矿采空区分布范围和开采情况。

发水煤矿位于线路DK89+800—DK91+000左侧约640m处，根据收集到的井上井下对照图、采掘工程平面图和调查走访得知，该矿始建于1999年，设计生产能力为3万t/年，2003年投入生产，2006年因漏水严重而闭矿。主要沿南西27°和北东45°，通过斜井运输巷和回风巷进行斜井开采，最大采深标高约-250.000m。调查发现，矿区顶部农田曾发生过塌陷，附近村民房屋有开裂现象。

胜利煤矿位于DK89+000—DK89+800左侧约810m处，根据收集到的部分采掘工程平面图和调查走访得知，该井田走向长2.5km，倾斜宽0.5km，面积约1.25km2，可采储量149.1万t。1970年6月动工兴建，采用走向短壁，区内后退式，回采工作面人工风镐落煤，溜槽自溜式运输，平巷人力推车，煤层平均厚度1.2m，倾向北西60°，倾角约40°，最大采深标高约-450.000m，于2005年关闭。

兆坤煤矿位于线路DK87+800—DK88+200左侧约1 200m处，根据采掘工程平面图和调查资料，采矿时间为2009年7月—2012年7月，采空区主要分东、西区域。东侧区域采深标高-200.000～-100.000m，开采范围较小，南北向长约200m，东西向长约180m。西侧开采范围较大，采深标高-450.000～-300.000m。由于矿区距离线位较远，且中间有水阳江相隔，该煤矿采空区对铁路工程无影响。

港口一矿位于线路DK91+300—DK93+400右侧港口镇，煤层平均厚度1.39m，倾角约西偏北30°，最早于1974年开矿，于2001年关闭停采。根据井上井下对照图和调查资料，港口一矿主要向远离线位的北西向开采，西侧最大采深约500m，距离线位1 770m，东侧采区距线位最近处约970m，开采深度仅150m。根据搜集资料和调查情况，结合煤层产状，由于采空区距离线位较远，且向远离线位的西侧开采，可判断采空区对铁路工程无影响。

乌石煤矿位于线路DK91+200—DK91+800右侧约950m处，临近港口一矿，开采时间为2009年4月—2012年4月，煤矿最大采深标高约-250.000m，与港口一矿类似，远离线路方向开采，采空区对铁路工程无影响。

现场调查发现，民国时期，港口一矿附近浅部煤层存在私人小规模开采现象，由于年代久远，且无档案资料，未能收集到相关图纸报告。详细调查走访得知，私采小煤窑集中在DK92+900—DK93+200右侧，距线路最近处约820m，采深≤100m，多为巷道式开采，巷道狭窄，宽1～2m。结合附近矿区煤层倾向，推断可能的煤层分布范围及深度，与走访结果基本一致，判断私采小煤窑对铁路工程无影响。

本线附近其他采空区，如金山矿业、灰山赵村煤矿等，根据收集到的矿区资料和现场调查，采空区距线路较远，均>1 500m，开采深度<500m，且向远离线路方向开采，采空区对线路方案无影响。

通过分析各矿区资料可知，线路附近矿区以水阳江分割，煤层产状及厚度相差不大，左侧矿区采煤向西开采，离线路越近越深。发水煤矿从搜集资料来看，矿区边界距离线路最近，且不排除超采、越线开采的可能，需要进一步核实开采边界和开采深度。胜利煤矿开采深度大，且向线路方向开采，但仅收集到矿区拐点坐标和部分矿区西北侧采掘平面图，对线路工程影响较大的西南侧矿区资料缺失，需采取物探和深孔钻探进一步查明采空区边界。

线路右侧煤矿采空区中，一方面开采方向远离线路方向，另外，开采边界距线位相对较远，对铁路工程影响不大，下一步将针对胜利煤矿和发水煤矿开展物探和钻探工作。

3.2 物理勘探

为进一步核查胜利煤矿和发水煤矿采空区范围和收集资料的可靠性，并核实是否存在越界开采情况，结合现场调查情况，采用高频大地电磁测深法EH-4对采空区进行物理勘探。根据采空区位置和矿区煤层产状，在线路左侧依次间隔一定距离布置6条纵测线和6条横测线，共长11km。测线布置如图 2所示。

物探解译成果表明，胜利煤矿范围内，平行于线路的6条EH-4测线均无异常，表明在测线范围内无采空区。垂直于线路的3条EH-4测线均有异常，与收集到的矿区边界基本吻合，与煤层深度略有差异。发水煤矿范围内，平行于线路的1号测线无异常。2～6号测线在DK89+950—DK90+345段存在低阻凹陷区，与收集到的采空区边界资料、煤层资料和后期钻探资料完全不符，判断该区域受上方高压线影响严重，为工频干扰区；垂直于线路的3条测线在-250.000～-50.000m均有异常，与收集到的矿区边界基本吻合，与煤层深度有部分差异。

3.3 深孔钻探

为进一步确定对线路影响较大的胜利煤矿和发水煤矿采空区边界、开采深度，在分析收集和调查资料及物探成果基础上，共布置6个深孔进行钻探。布置原则如下：根据收集到的部分西北侧采掘工程平面图，胜利煤矿结合煤层走向和倾角，推测矿权范围内靠线路侧，其余采空区位置及矿区外可能的煤层埋深，据此布置钻孔位置，确定设计孔深，在采空区内部、开采边界内外侧各布置1个钻孔。发水煤矿在采空区内部布置1个钻孔，验证矿区资料准确性，在矿区边界外靠线路侧布置2个钻孔，核查是否越界开采。

Jz-采空深1号钻孔钻至-562.060m，根据资料分析，假如此处有煤层，煤层标高应该在-550.000～-500.000m。钻进过程平稳，岩芯连续完整，未揭示采空区，也未钻到煤层，说明此钻孔在矿区边界外。Jz-采空深2号钻孔揭示采空区位置标高为-403.760～-396.460m，如图3所示，空洞无充填物，漏水严重，矿区顶部10m范围内，岩芯较破碎，其上岩体完整，采空区位置与根据部分采掘工程平面图推测的矿区开采深度基本一致。Jz-采空深3钻孔揭示采空区位置标高为-323.580～-315.180m，如图 4所示，其中-315.480～-315.180m为采空区顶部支撑枕木，-315.980～-315.480m为空洞、掉钻，-323.980～-315.580m处充填物为砂岩、泥岩、局部夹少量水泥砂浆，钻进过程漏水严重。钻探揭示的采空区位置与根据产状推测的煤层位置及采深等高线和物探成果吻合。

图3 钻孔2揭示的采空区空洞

图4 钻孔3揭示的采空区及顶部支撑枕木

根据7号测线物探、钻探成果，结合煤层产状、已知采空区边界及调查资料综合分析，推断胜利煤矿采空区边界位于Jz-采空深1号与Jz-采空深2号孔之间，从已知矿区边界顺煤层走向延长，煤层向线路方向逐渐尖灭，推测采空区边界标高为-465.000m，如图5所示。

图5 胜利煤矿采空区

发水煤矿Jz-采空深6号钻孔揭示煤层位置标高为-205.450～-202.250m，但没有钻到采空区，煤层位置与收集到的发水矿业采掘工程平面图中的煤层底板等高线标高一致，与物探成果吻合，推测此处为煤矿保护煤柱。对于Jz-采空深4，5号孔，根据煤层产状推测，如果5号孔下有煤层，应该在-350.000m附近，如果4号孔下有煤层，应该在-450.000m附近，而5号孔钻至-451.350m，4号孔钻至-549.660m均未钻到煤层与采空区，且岩芯连续完整，说明发水煤矿采空区边界在Jz-采空深5,6号钻孔之间，煤层由钻孔6向钻孔5方向逐渐尖灭，如图6所示，与收集的井上井下对照图等资料一致。

图6 发水煤矿采空区

4 采空区安全距离

4.1 计算方法及参数选取

煤矿大面积开采后，会形成移动盆地，自采空区边界至地表塌陷变形边界间的水平投影距离称为影响带宽度。在铁路选线设计中，影响带宽度一般以岩移角进行估算，并增设一定宽度的围护带，围护带宽度与影响带宽度之和为安全距离，计算公式如下：

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

(1)

式中：L为围护带宽度(m)；H1为松散层厚度(m)；H2为顶板基岩厚度(m)；φ为松散层坍塌扩散角(°)；δ为岩体坍塌扩散角或岩移角(°)，根据矿层走向与线位关系，可采用走向岩移角、倾向岩移角和斜向岩移角。

在相关规范、手册中，最常用的岩移角量有破坏角、移动角和边界角，分别对应移动盆地的均匀下沉区、移动区和轻微变形区。边界角对应移动盆地的最外边界，一般是以地表下沉值10mm为标准划分的，而移动角和破裂角对应变形限值大[10]。高速铁路对线下工程沉降变形要求高，无砟轨道路基工后沉降宜≤15mm，过渡段处差异沉降应≤5mm，桥梁墩台基础工后沉降限值为20～30mm，在上述3个移动角中只有边界角能满足高速铁路对沉降要求，因此，采用边界角计算高速铁路附近采空区的安全距离。

边界角参考《铁路工程地质手册》，通过移动角进行计算：

走向边界角δ0=δ-15°

(2)

上山方向边界角γ0=γ-15°

(3)

下山方向边界角β0=β-15°(1-0.01α)

(4)

式中：δ，γ，β分别为走向、上下方向、下山方向移动角；α为矿层倾角。

当煤层走向与线位斜交时，需要采用斜交方向移动角带入式(2)，(4)中计算相应边界角，斜交移动角计算如下：

(5)

(6)

式中：θ为线路走向与矿层走向夹角。

根据我国某些煤矿移动盆地有关数值表，结合收集的矿区资料，参考《铁路工程地质手册》，采用类比法取值。走向移动角δ取72.5°、上山方向移动角γ取70°、下山方向移动角β取53°。另外，本场区松散层一般厚10～30m，靠近线路处为水阳江冲积层，多为粗圆砾土，松散层坍塌扩散角φ取45°。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，围护带宽度应根据受护对象的保护等级确定，如表1所示。

表1 铁路各保护等级的围护带宽度

高速铁路的保护等级为特级，围护带宽度取50m。

4.2 计算断面

通过详细的资料搜集和调查工作，辅以物探和深孔钻探验证，查明对线路工程影响较大的胜利煤矿和发水煤矿采空区的范围及开采深度。根据各矿区平面位置及采深，选取胜利煤矿采深最大且距离线位最近的矿区边界A点、发水煤矿采深最大矿区边界B点和距离线位最近的C点，将矿区边界作为采空区边界进行计算，计算结果如表 2所示。

表2 采空区安全距离计算

由表2可以看出，线位距胜利煤矿和发水煤矿采空区边界的平面距离均大于计算得到的安全距离，其中最不利的是胜利煤矿边界A点，距线位平面距离810m，采空区最大埋深-465.000m，安全距离为536m，采空区影响边界距离线位尚有274m的距离，故本线绕避煤矿采空区影响范围。

5 结语

1)采空区资料的搜集和调查走访工作是基础，也是最关键的，直接影响物探和钻探工作的开展，外业勘察期间一定要通过各种方式，尽可能齐全地收集矿区开采的相关图件报告，并加强走访调查工作，确保资料可靠性。

2)在收集调查资料的基础上，根据开采规模、煤层产状及矿区与线路的相对关系，对各煤矿采空区对线路方案的影响进行初步分析判断。针对重点煤矿采空区，辅以必要的物探、深孔钻探及计算分析，详细查明采空区的开采范围及影响边界。

3)大面积煤矿采空区的安全距离应根据线路走向与矿层关系，采用相应移动角进行计算，高速铁路由于对沉降变形控制严格，需采用边界角进行计算，并根据铁路等级增设一定围护带宽度。

高速铁路对沉降及稳定性的要求非常严格，通过以上综合分析与评价，本线绕避汪溪港口一带煤矿密集煤矿采空区的影响范围，但为确保工程安全，施工及运营过程中尚应加强对临近采空区工程的安全监测和变形观测。