采空区地质勘察及对京沈客专稳定性影响评价
中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0074-02
随着近年来高速铁路的快速发展和煤炭资源深部开采的增多，大量铁路都不可避免穿越煤矿及其采空区，采空区对铁路建设的影响越来越大[1]。采空区由于其工程地质条件复杂对铁路工程选线及稳定性具有十分重要的影响，因此必须查清地下采空区的工程地质情况[2]，评价其对铁路工程的影响及线路稳定性，以便铁路安全通过。
拟建京沈铁路DK429+000～DK430+ 500段从他拉皋煤矿北侧通过，采空区位于拟建线路右侧。为查明煤层及采空区的分布状态，通过走访、调查、收集资料等方法对他拉皋煤矿的分布、开采、埋深、储量及采空情况有了初步了解的基础上，采用人工地震反射波法和直流电法进行采空区勘察，对煤矿采空区边界进行进一步的划分，此外布置适量钻孔以揭示地层，为物探解译提供参数并对物探解译成果进行验证。
通过综合勘探等手段取得勘察成果分析铁路稳定性，选取铁路保护煤柱的计算方法判定该采空区的安全边界范围并评价铁路稳定性，对京沈客专该段稳定性作出评价。
1 煤矿地质条件及采空区情况
1.1 概况
他拉皋煤矿位于拟建京沈铁路CK429 +086～CK429+758右侧350～800m，该段线路位于丘陵、剥蚀缓丘区，地形波状起伏，缓丘与冲沟相间。线路走向及煤矿平面示意图如图1所示。
1.2 地层岩性
该地区含煤地层主要为古生界石炭系，其次是中生界的侏罗系下统北票组（J1b）。地质测绘及钻探揭示，采空区及其影响范围内表覆第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）新黄土，下伏白垩系下统大凌河组（K1d）安山岩、玄武岩，侏罗系下统北票组（J1b）砾岩、砂岩、页岩夹煤层，石炭系上统（C3）砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层，奥陶系下统（O1）石灰岩，震旦系下统高于庄组（Z1g）石灰岩。
1.3 地质构造
他拉皋煤矿位于中朝准地台与内蒙地轴相交部位的朝阳北票两个断陷盆地的交接部位，朝阳～药王庙断裂带从矿区通过，在矿区范围内形成一系列叠瓦式逆冲断层，造成地层陡倾，断层走向NE40°～60°，倾向SE10°～40°，倾角50°～80°。煤层位于单斜构造中，由东至西渐趋陡倾，倾向300°～310°，倾角65°～85°。
1.4 水文地质条件
矿区地下水分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水分布于第四系松散堆积层中，一般埋深1.0～>10m，主要含水层为砂类土及碎石类土。受大量开采的影响，地下水水位有逐年下降趋势。基岩裂隙水主要赋存于低山和丘陵区的基岩节理裂隙中，含水量不大，埋藏较深。该矿区附近正常涌水量25m3/h，最大涌水量47m3/h。
1.5 矿区开采情况
他拉皋煤矿于上世纪90年代末进行开采，为他拉皋一带较大的煤矿，斜井开采。目前该矿有斜井2口，斜井按照矿脉产状布置，开采深度在100～400m范围，局部开采深度已经达到450m，一般分7层开采，其中2、4层为主要开采层，其他煤层局部开采，且均开采20～30m，留10m左右的安全矿柱。2009年勘测时矿区采煤作业还在进行，主采作业面位于一号采煤区，平面距离拟建铁路约350～500m，二号采煤区平面距离拟建线路约400m，仅向线路方向开挖了一条探煤巷道，因未发现可采煤层而未进行生产开挖。
2 采空区工程地质勘察
2.1 资料收集及调查
通过走访、调查、收集区域地质资料、矿区勘察报告、井上井下对比图等方法已经对煤矿的分布、开采、埋深、储量及采空情况有了初步的了解。由于矿区大量地下开采煤层形成的采空区塌陷使得附近山体地表塌陷，大面积出现地裂缝。塌陷坑位于煤矿南东侧的山体上，距拟建线路500～600m，塌陷区呈长椭圆形，长轴方向为NEE～SWW向，长约400m，短轴方向为NNW～SSE向，宽约150～200m，山体上分布多条地裂缝，裂缝宽0.5～3.0m，延伸长度近百米。
通过分析该区域地质构造，拟建线路位于煤层底板一侧，平面上线路与煤矿采矿区间又有倾向煤矿采矿区一侧（线路右侧）的逆断层相隔，因此初步分析判定其基底稳定，不会出现采空塌陷。经现场调查拟建线路附近地表未发现有塌陷及裂缝产生，既有民房未见破坏。
2.2 物理勘探
为进一步查明煤层及采空区的分布状态，结合采空区分布路段内的地质路基及桥涵工点进行了煤矿采空区的勘探工作。为了查明采空区的分布情况进行了物探勘察，物探采用人工地震反射波法和直流电法进行采空区勘察，对煤矿采空区边界进行进一步的划分。
物探解译圈定的采空区边界与现场调查到的煤矿开采情况有较大差别，物探解译在矿区南西侧，采空区边界范围小于矿方提供的正在开采的一号采煤区的范围，因此本资料采用收集到的矿方提供的开采范围作为采空边界线；而矿区北东侧，矿方提供的采掘图未见开采巷道，但物探解译开采边界却突破矿界，并有较大范围的延伸，物探圈定煤矿采空区平面示意图见图2所示。鉴于物探解译的多解性及小矿采掘资料的不准确性，该资料在矿区南西侧采用调查收集到的采掘资料上的开采边界作为采空边界，而矿区北东侧的采空边界采用物探解译边界。由圈定范围图可知采空区边界距拟建线路最近处为335m。 2.3 地质钻探
针对物探所得结论，在靠近拟建铁路一侧的安全区及采空区塌陷破坏区分别布置钻孔进行勘察验证，以揭示地层并为物探解译提供参数并对物探解译成果进行验证，共完成地质钻探9孔，累计进尺402.5m。安全区内共布置钻孔8个，钻进过程中孔内未见异常，岩芯均较完整，多呈柱状，反映孔位处地层未曾遭到采空区塌陷的扰动破坏，保持了原始的地层层序及产状。采空区塌陷区内布置钻孔钻至孔深20m时孔内漏水严重，钻进无法进行，钻得岩芯极其破碎，未见块状或柱状岩芯，反映孔位处地层已遭到采空区塌陷的扰动破坏，失去了原始的地层层序及产状。
3 采空区稳定性评价
线路从采空区西北侧经过，为了防止煤矿地表变形影响铁路路基稳定危及行车安全，采用铁路保护煤柱设计方法来确定安全边界[3]。采空区安全围护边界计算示意图如图3所示。
其中：
L 安全距离
l1 基岩塌陷移动距离
l2 第四系地层塌陷移动距离
l0 安全围护距离
H 采空区顶板厚度
h1 采空区基岩顶板厚度
h2 采空区第四系松散地层顶板厚度
γ1 基岩塌陷移动角
γ2 第四系松散地层塌陷移动角
计算参数的选取
根据现场调查，采空深度为100～400m，最深达450m，综合分析后，确定上山方向（靠近线路方向）采空埋深采用150m，下山方向（远离线路方向）采空埋深采用450m，矿区附近所钻9个钻孔揭示第四系地层厚度2.5～18.5m，计算时第四系顶板厚度采用20m；参照《铁路工程地质手册》[4]，确定上山塌陷移动角γ1=50°，γ2=45°，安全围护距离l0=40m。
计算后可知，拟建线路位于他拉皋煤矿采空区安全围护范围以外165m，拟建线路附近地面未见地面塌陷，因此线路可以在现有采空边界的情况下在矿界北侧安全通过。
4 结语与建议
（1）通过搜集煤矿普查和开采资料，调查煤矿开采现状和塌陷状况，并通过物探及钻探勘察资料，基本查明了他拉皋煤矿的开采边界.通过分析该区域地质构造，拟建线路位于煤层底板一侧，且有逆断层相隔，因此判定其基底稳定，不会出现采空塌陷。
（2）通过计算拟建线路位于他拉皋煤矿采空区安全围护范围以外169.1m，线路可以在现有采空边界的情况下在矿界左侧（拟建铁路一侧）安全通过。
（3）他拉皋煤矿采空区塌陷区附近的铁路线路应尽量以路基方式通过，必须设桥的工点应尽可能压缩桥长。
（4）由于他拉皋煤矿尚在按原规划对煤层继续进行开采，且每年正以50～100m的采掘速度进行开采，线路方案确定之后，要尽快办理停采或限采手续，做好对拟建铁路的安全围护工作，预留保护煤柱以确保铁路方案的可行性，严格控制现有煤矿企业向拟建铁路方向继续开采，以确保铁路建设顺利实施及运营安全。
