InSAR技术在铁路下伏煤矿采空区安全评估中的应用——以磁东线禹村段为例.pdf

收稿日期:20230420作者简介:李 赛(1998),女,西南交通大学地质工程专业硕士研究生,E-mail:lisai0909 。通信作者:王世明(1981),男,2011 年毕业于中国地质大学岩石学专业,理学博士,讲师,E-mail:shimingw 。文章编号:16727479(2023)04010305InSAR 技术在铁路下伏煤矿采空区安全评估中的应用 以磁东线禹村段为例李 赛 王世明 彭永良 吕毓东(西南交通大学地球科学与环境工程学院,成都 611756)摘 要:磁窑至东都铁路(简称“磁东线”)K27+100K30+100 段由于沿线煤矿开采,使得该段铁路自 20 世纪 80 年代末以来就一直处于限速状态,严重制约当地经济发展。为在保障安全的情况下提高列车运行速度,采用 InSAR 技术对铁路段地表进行动态沉降监测,并采用地质测绘、稳定性计算等多种方法进行综合分析,结合地质资料、煤层开采数据及历年沉降监测资料,对线路采空区进行安全性评估,并给出相关提速意见。稳定性计算结果表明,楼德煤矿开采后所引起的最大地面沉降为 1 771 mm,下伏采空区沉降活跃期已基本结束;InSAR 地表监测结果表明,线路总形变较大区域位于 K27+320K27+725 段、K28+290K28+673 段、K29+137 桥梁段,最大沉降量为 41.058 mm,位于煤矿开采边界,其中K29+137 桥涵段、K28+404 及 K27+655 路基段沉降变形较大,建议对此区段加强处理,其余线路段可先提速至 45 km/h;磁东线 K27+100K30+100 段其余形变较小区域沉降基本稳定,轨道无明显的变形,可提速至 60 km/h。关键词:专用线;采空区;地面沉降;InSAR 技术;稳定性中图分类号:P236;U239.8 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202304200001开放科学(资源服务)标识码(OSID):Application of InSAR Technology in Safety Assessment of the Goaf of Coal Mine Under Railway Taking Yucun Section of Ciyao-Dongdu Railway as an ExampleLI Sai WANG Shiming PENG Yongliang LYU Yudong(Faculty of Geoscieaces and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)Abstract:The K27+100K30+100 section of the Ciyao-Dongdu Railway(referred to as the“Cidong Line”)has a long-term speed limit since the late 1980s due to coal mining along the line,and it severely restricts the local economic development.In order to improve the speed and ensure operation safety,InSAR technology was used for dynamic subsidence monitoring of the railway section on the surface,and various methods such as geological surveying and mapping and stability calculation were used for comprehensive analysis.Combined with geological data,coal seam mining data,and subsidence monitoring data over the years,safety assessment was conducted for the goaf of the line with suggestions proposed.The stability calculation results show that the maximum land subsidence caused by the mining is 1 771 mm,and the active period of subsidence in the underlying goaf has basically ended;The InSAR surface monitoring results indicate that the relatively large areas with total line deformation are located in the K27+320K27+725 section,K28+290K28+301InSAR 技术在铁路下伏煤矿采空区安全评估中的应用:李 赛 王世明 彭永良等673 section,and K29+137 bridge section,with a maximum subsidence of 41.058mm,nearing the coal mining boundary.There are relatively large subsidence deformation for the K29+137 bridge and culvert section,K28+404,and K27+655 subgrade section.It is recommended to strengthen the treatment of these sections,and the speed of other line sections can be improved to 45 km/h;Areas with the other relatively small deformation of the K27+100 K30+100 section of the Cidong Line have stable subsidence without obvious deformation of the track,and the speed can be improved to 60 km/h.Key words:dedicated railway;goaf;land subsidence;InSAR technology;stability引言磁窑至东都铁路位于山东省泰安市,西起京沪铁路磁窑车站,东至东都车站,全长 66.073 km,现以大宗货物运输为主。磁东线所经地区煤炭丰富,沿线分布有华丰煤矿、禹村煤矿、协庄煤矿、良庄矿及沈村矿等大型煤矿,磁东线 K27+100K30+100 段经过禹村矿主采区,另外该区间还有楼德矿、九龙山矿等众多地方矿及小煤窑,其中禹村煤矿已闭矿,楼德矿也已于 2015 年关停。由于采煤活动历史悠久,在较长时间内造成地表累计移动和变形,使路基地面产生不均匀沉降,铁路安全隐患增大1-3。为保障铁路安全运行,该区域长期进行限速处理,铁路运输效率降低、地区经济发展受到限制。InSAR 技术常应用于测绘领域,近年来逐步与地质相关领域结合,用于地表沉降监测、滑坡监测、地震监测等4。何佳阳等采用不同的 InSAR 技术辨认高山峡谷典型地质灾害点,认为 SBAS-InSAR 技术识别率较高5;李帅等放弃传统 InSAR 监测手段,采用更为精密的 SBAS-InSAR 和 Offset-tracking 相结合的方法监测矿区沉降变形6;贾诗超等应用 D-InSAR 和时序 InSAR技术,揭示了多年冻土由于冻融循环而导致的地表形变规律7;王凤云等利用 D-InSAR、SBAS-InSAR 技术对煤矿采空区地表形变进行检测,研究地表异常沉降及形变8-9。不难看出,InSAR 技术利用轨道参数和几何成像原理,具有质量好、效率高等特点,在地表形变和地面沉降观测等方面可取得较好效果10-11。为探寻禹村煤矿采空区铁路病害成因,采用InSAR 技术开展磁东线铁路段地表监测研究12-14。结合煤矿开采资料收集,现场调查,地质测绘等多种方法,对磁东线铁路进行安全性评估,以期为类似工程提供相应指导。1 区域地质概况及煤矿开采历史磁东线禹村煤矿区段位于徂徕山和蒙山两大分水岭之间,属山间凹地,地势较为平缓,地面高程 120 180 m。出露地层主要以砂质黏土、泥岩、黏土岩、砂岩、夹砾岩和泥灰岩为主。禹村区为一阶梯状的断陷盆地,地层走向 280 300,倾向 NE,倾角 15 30,煤系地层剥蚀严重,九龙山断层(F24)和禹村断层(F1)使煤系地层下陷,并受挤压作用,同时形成地堑和小向斜构造,矿区内煤系地层和矿区外奥陶系石灰岩接触,禹村煤矿矿区构造纲要见图 1。图 1 禹村煤矿矿区构造纲要禹村煤矿区(包括禹村矿、楼德煤矿、九龙山煤矿)开采面积0.9 km2,开采煤量318 万 t。该区段含煤地层为石炭二叠系山西组和太原组地层,平均厚度225.42 m。共含煤 16 层,其中山西组含煤 4 层(1、2、3、4 煤层);太原组含煤 12 层(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 煤层)。含煤总厚度为 14.18 m,含煤系数 6.29%;可采煤层总厚度 11.82 m,可采含煤系数为5.24%。禹村煤矿区开采煤层以山西组 1、2、3 层煤为主,开采深度 100190 m15;山西组 4 层煤及太原组6 层煤部分开采。各矿区开采情况见表 1。表 1 各煤矿开采情况煤矿名称煤层开采情况禹村矿1、2、3 煤层全部开采6、11 煤层部分开采楼德煤矿1、3 煤矿全部开采6、11 煤层部分开采九龙山煤矿煤层开采深度+126-400 m2009 年后无采煤工作面401铁 道 勘 察2023 年第 4 期2 采空区沉降分析2.1 采空区沉降计算采空区安全性评价是线路后期治理和提速重要依据,根据采空区分布情况、开采情况、顶底板管理及冒落情况及岩性物理参数,采用概率积分法对各层采空区稳定性进行评价,结合调查情况和采空区治理经验,对采空区稳定性进行综合评价。它以随机介质理论为基础,采用非连续介质模型,建立地表及覆岩的位移函数,其实质是通过理论分析确定地下微小单元的开采对上部岩体的影响,并认为地下整个采空区的影响开采区看作为所有微小单元开采影响的总和,通过积分法计算整个采空区引起上覆岩体及地表的移动和变形。假设煤层开采平面形状为矩形,长度为 L,宽度为B,则地表任意一点 A(X,Y,Z)的地表移动和变形,计算原理见式(1),下沉量 W 可表示为W(X,Y,Z)=mqcosL01rze-(X-x)2+(Y-y)2)r2zdxdy(1)式中,m 为煤层开采厚度;q 为下沉系数,取值一般取 0.010.95,与岩性及顶板管理等因素有关,各矿区根据长期观测数据统计分析确定。最大沉降量为Wmax=mqcos(2)原禹村矿在开采最浅部 1 煤、3 煤时在东北部铁路线下按宽度 50 m 留有铁路保护煤柱,楼德矿开采1 煤(含 2 煤)保护煤柱,采用采 40 m 留 30 m 的方式,根据煤层及禹村矿相关采煤参数、建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程可知,楼德煤矿开采铁路线下 1 煤(含 2 煤)保护煤柱最大下沉量为 1 771 mm。2.2 采空区 InSAR 沉降历史及趋势分析磁东线自建成以来病害不断,不均匀沉降严重影响铁路运行速度。采用 InSAR 技术数据分析研究地表动态变形规律,对该线路进行安全性评估16-17。采用 PS-InSAR 和 SBAS-InSAR 方法对磁东线 K27+100K30+100 段进行了形变监测,图像采集时间为2017 年 7 月 31 日至 2021 年 12 月 13 日,共计 79 景sentinel-1A 影像。使用欧空局精密轨道数据和 SRTM的 30m 分辨率外部 DEM 进行数据处理18-20,具体InSAR 监测结果见图 2、图 3。20172022 年,InSAR 雷达监测成果显示,研究区主要沉降范围位于煤矿开采边界区域,最大沉降量为41.058 mm。线路段受采空区影响,形变区域零散分布,仅在 K27+725 和 K27+210 处出现局部隆起,隆起值为 057.05 mm。最大沉降区域位于 K28+404 附近(图中 T2 附近),最大沉降量为32.82 mm,其余路段表现为部分沉降,沉降值为 016.347 mm。图 2 磁东线 K27+210-K29+480 段 InSAR 结果图 3 磁东线 K27+210-K29+480 段 InSAR 结果线路总形变较大的区域位于 K27+320 K27+725 段、K28+290 K28+673 段、K29+137 桥梁段。选501InSAR 技术在铁路下伏煤矿采空区安全评估中的应用:李 赛 王世明 彭永良等取铁路沿线有较大形变的点位进行沉降时序散点分析,其中 T1 为现场观察到发生形变的桥涵附近点位(K29+137),近 5 年累计沉降量达到 12.08 mm,年平均沉降速率为 2.416 mm,见图 4;T2 位于 K28+404 附近,近 5 年来累计沉降量达到 32.82 mm,年平均沉降速率为 6.564 mm,见图 5;T3 位于 K27+655 附近,近5 年来累计沉降量达到 7.08 mm,年平均沉降速率为1.416 mm,见图 6。图 4 T1 沉降时序散点图 5 T2 沉降时序散点图 6 T3 沉降时序散点20172022 年 InSAR 雷达监测成果表明,形变较大区域主要分布在煤矿周缘,铁路沿线零散分布沉降区域,线路总体的沉降已趋于稳定,总沉降量不大。局部点位出现较大沉降,分别为 K27+320K27+725 段,K28+290K28+673 段和 K29+137 桥梁段,最大沉降为 32.82 mm,与早期线路下伏采空区没有治理、线下局部塌陷有关。3 风险评估及应对措施3.1 线路安全性评估(1)K27+210K28+800 段由采空区最大沉降计算可知,楼德煤矿开采下线保护煤柱引起的可能最大地面沉降为 1 771 mm,根据路基沉降监测,开采后铁路最大下沉量 1 421 mm(2002 年 5 月),剩余沉降 350 mm。由 InSAR 监测结果分析可知,截止至 2021 年 12 月,该线路段下伏采空区沉降活跃期已基本结束,路基下伏采空区将进入封闭沉降盆地式长期缓慢下沉。根据 InSAR 监测结果,在 K27+210 K28+800 段范围内,除个别点位沉降较大外,如重点研究点位T2(K28+404 附近)最大沉降为 32.82 mm,该段路基其余段变形量不大;InSAR 监测结果表明,部分线路段InSAR 监测结果呈现出微小沉降趋势,如重点研究点位 T3(K27+655),最大沉降为 7.08 mm,整治处理后,对铁路安全性影响不大,线路整体稳定性较高。由此判断,除重点点位 T2(K28+404 附近)外,其余段路基经整治处理之后,不会造成因缓慢下沉引起的铁路安全突发性灾害。(2)K29+137 桥梁K29+137 桥梁位于楼德煤矿采空区范围,根据InSAR 监测结果,K29+137 桥涵附近沉降量较大,该区域累计沉降量达 12.08 mm。根据现场勘察,桥体为箱梁式结构,当前箱梁之间有一定的沉降错动,但整体稳定,不会发生影响桥梁安全的地面突然塌陷灾害。(3)K27+100K30+100 地段根据 InSAR 监测结果,除重点研究点位外,K27+100K30+100 其他地段微小沉降或为未见沉降;据野外勘察结果可知,该路段近年来未见明显的地面沉降,现场线路也无明显的沉降现象,沉降已进入稳定阶段,铁路路基及附近地面较稳定。3.2 线路应对措施(1)K27+210K28+800 段虽出现较明显的沉降现象,线路局部起伏较大,但整体处于稳定下沉阶段,可以对线路路基进行综合整治,后提速至 45 km/h。同时需安排现场沉降监测。(2)K29+137 桥梁根据 InSAR 数据分析及现场调查,其有较明显的不均匀沉降,建议对 K29+137 桥采用 InSAR、GNSS 等601铁 道 勘 察2023 年第 4 期自动监测手段,对提速 60 km/h 后的桥梁进行自动化监测,根据监测结果再研究是否进一步提速。(3)K27+100K30+100 段为原禹村矿采矿范围,沉降计算结果表明该区域下沉量为 1 771 mm,据现场勘察监测,下伏 1、3、11 层煤的开采,造成路基最大下沉为1421 mm,且出现大的地裂缝、陷坑、陷坑群等现象。虽然近年无煤矿开采,沉降基本稳定,但建议对该段进行线下 60 m 深度内的空洞、大拉裂缝进行探测,必要时采用综合注浆等方式的整治,并进行沉降监测,防止下部采空区局部塌陷,影响铁路安全。其他地段沉降基本稳定,轨道也无明显的变形,可先提速至 60 km/h。4 结论对磁东线 K27+100K30+100 段进行地表沉降计算及 InSAR 变形监测,研究结果表明,禹村煤矿采空区对线路整体影响不大。该线路段大部分区域地表沉降已趋于稳定,但部分区段沉降较大。依据研究结果,得出如下结论。(1)采用微小单元积分法对煤矿开采所引起的地表沉降进行计算,计算结果表明,楼德煤矿开采后所引起的最大地面沉降为1771 mm;依据现场勘察结果,该区域最大下沉已达到 1 421 mm,剩余沉降 350 mm,截止至 2021 年 12 月,该线路段下伏采空区沉降活跃期已基本结束。(2)InSAR 监测能够很好反映采空区沉降变形趋势,监测区域最大沉降量为 41.058 mm,位于煤矿开采边缘,其中线路段重点监测点 T2 沉降变形较大,达到32.82 mm。(3)根据现场踏勘及沉降监测结果,磁东线 K27+100K30+100 铁路段整体稳定性较强,可进行提速;部分区段如 K29+137 桥涵段、K28+404 及 K27+655 路基段,建议对该区段加强处理。参考文献1 马涛,高博.拟建建筑物下伏多层采空区评估简析J.城市地质,2016,11(1):48-51.MA Tao,GAO Bo.Evaluation on the Proposed Buildings on the Coal Mine-out Space with Underlain MultilayerJ.Urban Geology,2016,11(1):48-51.2 周大卫,彭静,李冬,等.浅析煤矿开采造成的不均匀沉降对地表建筑物的影响及预防J.科技创新导报,2017,14(6):155-156.ZHOU Dawei,PENG Jing,LI 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