鐵山背斜煤層采空區(qū)特征及高鐵通道選擇評價

張虎，甘輝

鐵山背斜煤層采空區(qū)特征及高鐵通道選擇評價

張虎，甘輝

（四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達州 635006）

以煤礦資料分析鐵山背斜兩翼煤層采空區(qū)特征，采空區(qū)平面分布服從煤層展布特點，立面圖在走向上呈階梯分布。走向無煤區(qū)、薄化區(qū)、未開采段、開采標(biāo)高相對較高段落是通道選擇的條件，選擇了3個高鐵通道。從采空區(qū)情況、變形特征對通道進行評價：1、2號備選通道不適宜，3號備選通道具備適宜條件。

鐵山背斜；采空區(qū)；通道選擇；通道評價

在川東地區(qū)高鐵選線勢必穿越一些背斜構(gòu)造。背斜兩翼分布煤礦經(jīng)多年開采形成大量采空區(qū)。對高鐵的穩(wěn)定性有重大影響（陳則連，2005；張津衛(wèi)，2014），對選線提出挑戰(zhàn)。本文以鐵山背斜為研究對象，在分析煤層采空區(qū)分布基礎(chǔ)上，提出高鐵通道選擇適宜性評價，為背斜采空區(qū)地區(qū)高鐵選線提供參考。

1 地質(zhì)背景

鐵山背斜屬四川盆地川東褶皺帶次級褶皺，軸向北東20°，背斜為西翼陡，東翼較緩的不對稱背斜。軸部出露上三疊統(tǒng)須家河組，軸線與鐵山山嶺基本吻合，兩翼出露下侏羅統(tǒng)自流井組至中侏羅統(tǒng)沙溪廟組。含煤地層為須家河組，可采煤層17層，但不連續(xù)。

2 采空區(qū)特征

2.1 平面特征

鐵山背斜分布14個煤礦，東、西翼均有分布，個別跨兩翼。準(zhǔn)采煤層有多層，采空區(qū)是所有準(zhǔn)采煤層采空區(qū)的并集。平面上，由于背斜西翼陡、東翼較緩，煤層采空區(qū)西翼投影面積小，東翼采空區(qū)投影面積較大；采空區(qū)與煤層沿兩翼其本連續(xù)分布，個別薄化區(qū)或未采區(qū)分布不連續(xù)（圖1）。

圖1 修復(fù)治理區(qū)位置圖

1-行政界線；2-修復(fù)治理區(qū)及編號；3-鐵路；4-高速公路；5-普通道路修復(fù)治理區(qū)位置圖

2.2 立面特征

煤層（多層煤取并集）采空區(qū)投到立面圖：單個煤礦由于煤層厚度、開采情況變化，煤礦最低采空標(biāo)高不一定在礦權(quán)范圍是貫通的(同一高程)，即走向上不同段呈階梯狀；多個煤礦對比不同煤礦最低開采標(biāo)高不完全一致；某翼煤層走向上采空區(qū)呈臺階式高低起伏，局部段未開采，或是薄化區(qū)；從兩翼（垂直軸部方向）對比來看，煤層開采最低標(biāo)高不一致，煤層薄化區(qū)(所有煤層在該區(qū)域都薄化)在兩翼不同時存在（圖2）。

圖2 鐵山背斜煤層采空區(qū)立面示意圖

3 高鐵通道選擇評價

3.1 選擇思路及結(jié)果

優(yōu)先選擇薄化區(qū)、無煤區(qū)，稱為A段；其次選擇未開采段，稱為B段；再次選擇某翼開采標(biāo)高相對較高段落，稱為C段。以其中一翼的某一段為基礎(chǔ)，在滿足高鐵轉(zhuǎn)彎半徑范圍內(nèi)，看另一翼是否有A、B、C段，有則作為一個高鐵備選通道。共選出1號、2號、3號通道。

3.2 通道評價

1）背斜兩翼通道位置均無煤層采空區(qū)的通道為適宜鐵路通道；

2）背斜一翼或兩翼通道位置有采空區(qū)，采空標(biāo)高在鐵路設(shè)計標(biāo)高以上，鐵路從采空區(qū)下部通過，評價為基本適宜通道；

3）其一：背斜一翼無煤層采空區(qū)，另一翼有采空區(qū)，采空區(qū)標(biāo)高在鐵路設(shè)計標(biāo)高以下，鐵路從采空區(qū)通過；其二：背斜兩翼采空區(qū)標(biāo)高均在鐵路設(shè)計標(biāo)高以下，評價為不適宜作為鐵路通道。

3.2.1 高鐵1號通道

1）采空情況。①背斜西翼采空情況。通道位置煤層+260m以上為老窯采空區(qū)，通道北側(cè)煤層+190m以上為采空區(qū)，1煤礦靠州河段煤層+250m以上為老窯采空區(qū)。（圖3）。②背斜東翼采空情況。1號通道在背斜東翼走向長約670m。通道段位于采礦權(quán)建設(shè)煤礦南礦界以處。通道范圍內(nèi)煤層+256m以上為老窯采空區(qū)，通道南、北測采空區(qū)標(biāo)高為-100m和+403m（圖3）。

圖3 鐵山背斜1號通道東翼采空立面示意圖

2）采空區(qū)變形情況。鐵山背斜1號通道西翼采空區(qū)凈寬分別為0.32～1.12m、0.19～0.77m和0.30～0.83m，煤層傾角一般70°；東翼采空區(qū)凈寬分別為0.50～1.30m和0.30～0.75m，煤層傾角一般50°。鐵山背斜1號通道東、西兩翼通道內(nèi)采空區(qū)形成時間于70年代以前，距今50多年。區(qū)內(nèi)含煤巖組多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，一般巖層厚（頂、底板）1～5m，少數(shù)7～20m，老頂、底多為厚層狀硬質(zhì)石英砂巖。頂、底板一般平直，較完整，不易冒落。開采工作面采用坑木支護，一般不作回收，采用全部陷落法處理采空區(qū)，自然垮落法管理頂板。煤層采空后多數(shù)段頂板不立即冒落，局部煤層薄化未開采起到支撐作用，采空區(qū)來壓周期規(guī)律不明顯，一般5～8天，在有坑木或局部充填物支撐的情況下，頂板懸空。因此，采空區(qū)為由破碎巖塊、碎屑和棄渣組成的傾斜狀破碎帶，巖塊呈架空結(jié)構(gòu)，破碎帶之外為完整穩(wěn)定巖體；采空區(qū)局部因木柱支護可能存在空腔。采空區(qū)為未完全垮塌的空腔，內(nèi)有少量充填物，積水不明。

3）通道適宜性評價。鐵山背斜東、西兩翼通道采空區(qū)均為老窯采空區(qū)，垮落不充分，采空區(qū)可能存在空腔，采空區(qū)形成時間長達五十年。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》確定采空區(qū)場地目前無擾動情況下穩(wěn)定。根據(jù)擬設(shè)鐵路通過鐵山背斜設(shè)計標(biāo)高（約300m），擬設(shè)線路將在鐵山背斜兩翼從采空區(qū)通過，1號通道不適宜作高鐵通道。

3.2.2 高鐵2號通道

1）采空情況。①背斜西翼煤層采空情況。2號通道位于4煤礦礦區(qū)南部，走向長約670m（圖4）。通道范圍內(nèi)4煤礦范圍煤層+250m標(biāo)高以上采空，通道南側(cè)3煤礦范圍煤層+302m標(biāo)高以上采空。②背斜東翼煤層采空情況。2號通道位于6煤礦礦區(qū)南部，走向長約700m（圖4）。通道范圍內(nèi)6煤礦淺部+400m標(biāo)高以上采空，深部薄化不可采；通道北側(cè)煤層+120m以上采空；通道南側(cè)8煤礦范圍煤層+290m標(biāo)高以上采空。

圖4 鐵山背斜2號通道東翼采空立面示意圖

2）采空區(qū)變形情況。根據(jù)調(diào)查，鐵山背斜2號通道西翼采空區(qū)凈寬分別為0.33～0.55m、0.30～0.51m和0.40～0.80m，煤層傾角一般82°；東翼采空區(qū)凈寬為0.29～0.37m，煤層傾角一般27°。鐵山背斜2號通道西翼通道內(nèi)采空區(qū)形成時間為近1～5年，東翼采空區(qū)形成時間為80、90年代。區(qū)內(nèi)含煤巖組多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，一般巖層厚（頂、底板）1～5m，少數(shù)7～20m，老頂、底多為厚層狀硬質(zhì)石英砂巖。頂、底板一般平直，較完整，不易冒落。開采工作面采用坑木支護，一般不作回收，采用全部陷落法處理采空區(qū)，自然垮落法管理頂板。煤層采空后多數(shù)段頂板不立即冒落，局部煤層薄化未開采起到支撐作用，采空區(qū)來壓周期規(guī)律不明顯，一般5～8天，在有坑木或局部充填物支撐的情況下，頂板懸空。因此，采空區(qū)為由破碎巖塊、碎屑和棄渣組成的傾斜狀破碎帶，巖塊呈架空結(jié)構(gòu)，破碎帶之外為完整穩(wěn)定巖體，采空區(qū)局部因木柱支護可能存在空腔。采空區(qū)為未完全垮塌的空腔，內(nèi)有少量充填物，積水不明。

圖5 鐵山背斜3號通道東翼采空立面示意圖

3）通道適宜性評價。背斜西翼通道采空區(qū)為新形成的采空區(qū)，東翼采空為老采空，采空區(qū)垮落不充分，采空區(qū)存在空腔。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》確定采空區(qū)場地不穩(wěn)定。根據(jù)擬設(shè)鐵路通過鐵山背斜設(shè)計標(biāo)高，擬設(shè)線路將從背斜西翼采空區(qū)通過。2號通道不適宜作高鐵通道。

3.2.3 高鐵3號通道

3號通道內(nèi)為無煤區(qū)和未采區(qū)，背斜兩翼通道內(nèi)均無煤層采空區(qū)，評價適宜作為高鐵通道（圖5）。

4 結(jié)論

針對鐵山背斜兩翼采空區(qū)最低采高順煤層走向呈階梯分布，選擇了三個高鐵備選通道，根據(jù)通道采空情況、穩(wěn)定性等，結(jié)合高鐵設(shè)計標(biāo)高，進行評價比選；認(rèn)為1、2號為不適宜的高鐵通道，3號通道適宜作為高鐵通道。

陳則連. 2005.煤礦采空區(qū)地基變形及對鐵路工程影響評價研究[D]. 成都:西南交通大學(xué).

張津衛(wèi). 2014.某石棉礦采空區(qū)對鐵路的穩(wěn)定影響分析[J].鐵道勘察，5：58-60.

Characteristics of Mined-Out Area of the Tieshan Anticline Coal Bed and Selection of High-Speed Rail Access

ZHANG Hu GAN Hui

(The 137th Geological Team, Sichuan Bureau of Coal Geology, Dazhou, Sichuan 635006)

This paper makes an approach to characteristics of mined-out area of coal bed in two wings of the Tieshan anticline on the basis of data of the Tieshan coal mine. The plane distribution of the mined-out area is the same as that of coal bed, while longitudinally, the mined-out area is distributed in a step pattern. Coal-free zone, coal bed thinning zone, unexploited section and mined-out zone with high altitude are available for the construction of high-speed rail access. The alternate access 3 is available.

Tieshan anticline; mined-out area; access selection; evaluation

2020-04-10

張虎（1986—），男，四川達州人，工程師，研究方向主要為礦產(chǎn)地質(zhì)

U212.22

A

1006-0995（2021）01-0086-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.017