蕭縣穆集煤礦礦井抽水對鄭徐客專沉降穩(wěn)定的影響

賈智富

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030000)

1 工程概況

鄭州至徐州客運(yùn)專線位于河南省、安徽省和江蘇省境內(nèi)，西起河南省鄭州市，沿途經(jīng)過安徽省，東至江蘇省徐州市。線路西連鄭州樞紐，與鄭西客運(yùn)專線及京廣客運(yùn)專線(在建)銜接，東接徐州樞紐，與京滬高速鐵路銜接。線路全長近362km。設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350km/h，軌道類型為無碴軌道，正線數(shù)目為雙線。鄭徐客專絕大部分地處黃淮沖積平原上，地勢平坦、開闊，在通過安徽省蕭縣穆集煤礦上方時，線路以橋梁形式通過。

1.1 地層巖性

礦區(qū)范圍被第四系地層所覆蓋，鉆孔揭露基巖大多是上古生界二疊系地層，有個別鉆孔揭露到石炭系太原組頂部地層，現(xiàn)將區(qū)內(nèi)所見地層自老至新簡述如下:

1)石炭系(C):主要由灰?guī)r、泥巖、砂巖、粉砂巖及煤層組成，屬海相和過渡相沉積，揭露最大厚度15.6 m。

2)二疊系(P):上部以雜色泥巖、粉砂巖為主，偶見炭質(zhì)泥巖及波煤層。中下部以砂巖為主，夾粉砂巖、泥巖，含煤1層～4層，含煤系數(shù)為 1%，層厚531.28 m～1 453.69 m，平均992.49 m。

3)第三系(N):以沖洪積～殘坡積相礫石、砂礫、粘土礫石、粘土質(zhì)砂為主，厚度50.60 m～70.42 m，平均60.51 m。

4)第四系(Q):巖性以土黃色、棕黃色及少量棕紅色粘土、砂質(zhì)粘土為主，夾0層～3層薄層砂和粘土質(zhì)砂。厚度40.50 m～50.80 m，平均45.65 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)位于徐宿弧形構(gòu)造外緣的大吳集復(fù)式向斜的東翼，形成于印支～燕山期，并為后期構(gòu)造運(yùn)動和復(fù)雜化。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線呈北東～北北東方向展布，褶皺為主要形式，斷裂構(gòu)造破壞了褶皺形態(tài)的完整性。

紅柳樹背斜是本區(qū)的主要構(gòu)造，幾乎貫穿南北，背斜軸走向長約6km，軸向NNE～NE向，為一寬緩型背斜，兩翼傾角一般為8°～15°。

1.3 水文地質(zhì)

按含水介質(zhì)、孔隙類型和地下水賦存條件，工程沿線的地下水可劃分為松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水。

1)松散巖類孔隙水含水巖組的巖性主要由全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)粘性土、粉細(xì)砂及粉砂組成。巖相、巖性不論在水平方向上，還是在垂直方向上變化均較大，一般具上細(xì)下粗的“二元結(jié)構(gòu)”或粗細(xì)相間的“多元結(jié)構(gòu)”。單井涌水量100 m3/d～500m3/d。

2)紅層孔隙裂隙水主要分布于區(qū)域的北部，含水層為第三系礫巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。由于“紅層”裂隙不發(fā)育，其富水性差，單井涌水量小于100 m3/d。水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na，礦化度大多小于 2.0g/L。

2 礦井抽水對鄭徐客專沉降穩(wěn)定影響的評估

2.1 定量計(jì)算

在地下開采煤層垮塌情況下，導(dǎo)致隔水層破壞，潛水層水流沿移動角向井內(nèi)滲流。根據(jù)《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》［2］，可以求出安徽省蕭縣穆集煤礦區(qū)抽水時距離抽水點(diǎn)的水平距離與水位降深的關(guān)系曲線，詳見圖1。

圖1 礦井抽水時距離—降深曲線圖

潛水完整井:

其中，S為距井排處的水位下降值，m;H為潛水含水層厚度，m;h為降水井排處的含水層厚度，m;L為任一點(diǎn)至井排的距離，m;R為抽水影響半徑，m;K為滲透系數(shù)，m/d。

在多層含水層條件下，當(dāng)?shù)叵滤辉跐撍畬幼兓?，其他含水層水位或水頭不變，潛水水位大面積下降前后，各土層均達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。抽水引起的地面最終沉降量計(jì)算公式如下所示［3］:

為了滿足S地面沉降≤15mm的高鐵規(guī)范要求，參考安徽省蕭縣穆集煤礦區(qū)地層土工試驗(yàn)的物理力學(xué)參數(shù)(見表1)，可以求出擬建鐵路中心處允許水位降深Δh≤3.1m。

表1 安徽省蕭縣穆集煤礦區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

由礦井抽水時距離—降深曲線圖以及潛水含水層垮塌半徑可知，鄭徐客專線路中心線距離礦井的水平安全距離為鐵路中心至保護(hù)帶邊界的距離+抽水影響半徑+虛擬抽水井至礦區(qū)邊界的水平距離=439m。

2.2 數(shù)值模擬分析

采用基于有限差分法的FLAC軟件［4］，對蕭縣穆集煤礦抽水引起地表位移特征進(jìn)行數(shù)值模擬，分別考慮在距離鐵路中線左右側(cè)不同距離抽水情況對鐵路沉降的影響，作出水平位移等值線圖和垂直位移等值線圖，分析其位移特征，進(jìn)行穩(wěn)定性評價。

對線路左側(cè)的蕭縣穆集煤礦進(jìn)行抽水，在距離鐵路中心397m時，保護(hù)帶邊界最大水平位移和最大豎直位移圖見圖2，圖3。

圖2 左側(cè)抽水引起地表水平位移等值線圖

圖3 左側(cè)抽水引起地表豎直位移等值線圖

線路左側(cè)礦層抽水引起地表沉降量見表2，由表中數(shù)據(jù)可知，左側(cè)抽水在距離鐵路中心397m時，線路保護(hù)帶邊界最大豎向沉降量為13.8mm，滿足高鐵要求的15mm沉降量。因此抽水引起的線路左側(cè)安全保護(hù)距離為397m。

表2 線路左側(cè)礦層抽水對地表的沉降影響值

同理，對線路右側(cè)煤層抽水范圍進(jìn)行試算，當(dāng)距離鐵路中心415m時，地表最大水平位移和最大豎直位移圖見圖4，圖5。

圖4 右側(cè)抽水引起地表水平位移等值線圖

圖5 右側(cè)抽水引起地表豎直位移等值線圖

線路右側(cè)礦層抽水引起地表沉降量見表3，由表中數(shù)據(jù)可知，右側(cè)抽水在距離鐵路中心415m時，線路中心最大豎向沉降量為14.7mm，滿足高鐵要求的15mm沉降量。因此抽水引起的線路右側(cè)安全保護(hù)距離為415 m。

3 初步治理方案

基于上述礦井抽水對地表沉降穩(wěn)定影響的研究，提出以下治理采空區(qū)抽水對地表穩(wěn)定影響的初步方案。

表3 線路右側(cè)礦層抽水對地表的沉降影響值

1)采用充填采礦法:利用適當(dāng)?shù)奶畛洳牧?，填補(bǔ)采礦所留下的采空區(qū)，可以大大減少地面巖層的移動，減小地面塌陷的范圍和幅度，并且可以使巖層移動過程平緩發(fā)展。采用充填采礦法，可以增加采空區(qū)的支撐作用，對覆巖和礦柱進(jìn)行維護(hù)，防止采空區(qū)的大規(guī)模冒落。對控制地表變形的控制方面具有重要意義［5］。

2)減少礦井抽水的影響:礦層開采后應(yīng)及時對周圍巖土采取封堵措施，防止地下水進(jìn)入工作區(qū)，這樣就可以有效減少礦井的抽水量，降低由于抽水引起的地面沉降影響。

3)協(xié)調(diào)開采:當(dāng)同時開采幾個礦層時，要合理布置采空區(qū)，使其錯開一定距離，以使引起的地表拉伸和壓縮變形相互抵消或部分抵消，從而減少地面的變形量。

4 結(jié)論及建議

1)綜合以上分析，分別采用理論分析及FLAC數(shù)值模擬分析兩種方法求出礦層抽水引起的高鐵安全保護(hù)距離，可以看出，理論分析法計(jì)算結(jié)果比FLAC數(shù)值模擬法計(jì)算的安全距離小，考慮到數(shù)值模擬參數(shù)的選擇是利用現(xiàn)有搜集資料分析而得，當(dāng)巖層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)稍有變化時，對評估結(jié)果影響較大，故本次安全距離評估以理論分析法為準(zhǔn)，以數(shù)值模擬方法為參考，得出蕭縣穆集煤礦抽水引起鄭徐客專安全保護(hù)距離為439 m。

2)依據(jù)《鐵路運(yùn)輸安全保護(hù)條例》規(guī)定:“在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起各1 000米范圍內(nèi)，禁止從事采礦作業(yè)?！北疚耐ㄟ^多種方法對比分析礦層開采抽水對鐵路安全保護(hù)距離的影響，使鐵路的修建盡量少壓覆煤層，減小不必要的礦產(chǎn)壓覆，具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

3)建議礦區(qū)采取相應(yīng)措施減少由抽水引起高速鐵路沉降穩(wěn)定的影響，并建立觀測網(wǎng)監(jiān)測地表變形情況，避免地面沉降不均勻?qū)﹁F路工程的影響，確保鐵路的運(yùn)營安全。

［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，建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］周載陽.地下水開采引起地面沉降的機(jī)理研究［J］.工程勘察，2012(8):37-45.

［4］劉 波，韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005:98-124.

［5］紀(jì)萬斌.工程塌陷與治理［M］.北京:地震出版社，1998:136-144.