石家庄至太原铁路客运专线采空区方案论证报告.doc

新建铁路石家庄至太原客运专线可行性研究采空区方案论证报告铁道第三勘察设计院2004年5月 天津新建铁路石家庄至太原客运专线可行性研究 院 长院总工程师铁道第三勘察设计院文件编制单位：地质路基设计处专册负责人：室主任：处总工程师：项目总工程师：院副总工程师：目 录一、概况1（一）地理位置1（二）线路方案1（三）设计线主要技术标准3（四）地形地貌3（五）气象特征4（六）勘测经过及完成工作量4二、工程地质特征和水文地质特征6（一）地层岩性6（二）地质构造9（三）地震11（四）水文地质特征11三、矿区地质条件、沿线煤矿分布和开采现状13（一）煤系地层13（二）矿区地质构造14（三）矿区水文地质14（四）沿线煤矿分布15四、采空区稳定性分析18（一）地表移动变形18（二）影响地表塌陷的主要因素21（三）地表塌陷情况23（四）采空塌陷稳定分析28（五）岩移计算参数的选取32（六）采空区线路方案地质条件评价33五、采空区处理措施及地基处理费用34（一）采空区处理原则34（二）路基工程34（三）桥梁工程38（四）平定方案采空区地基处理费用38六、结论及建议39- 35 -石太客运专线阳泉段采空区论证报告一、概况（一）地理位置石太客运专线线路经过河北、山西两省。沿线通过的主要市县有：石家庄市、井陉县、阳泉市、平定县、寿阳县、太原市。（二）线路方案石太客运专线与既有石太铁路一起构成中国铁路东西向运输主干线，也是我国煤炭运输主通道，石太客运专线的建设，对提高石太通道货运能力、提高交通运输质量、满足社会发展对旅客运输需求，对推动沿线区域经济和旅游业的发展以及区域国土开发都有重要意义和作用。预可研阶段线路走向方案研究了经由阳泉南（平定）、阳泉和盂县三大方案，石太线地形地质条件复杂，越岭地段高差大，桥隧工程达到60%以上，三方案都不同程度地存在煤矿采空。越岭段的地质选线对本线来说尤为重要，山西省矿产资源丰富，煤炭工业是山西省的主要产业，采煤历史悠久。石太客运专线通过山西省沁水煤田其小煤窑采空区随处可见。根据人为坑洞地段工程地质选线的原则，线路应避开大面积采空区及其影响范围，宜绕避密集分布的小窑采空区。为此在预可研阶段做出各种可行的绕避和通过方案，做到绕有根据，治有措施，以保证铁路建成后安全运营；对规模较大、整治困难的大面积采空区予以绕避。通过搜集阳泉市和平定县煤矿的分布图，调查沿线煤矿的开采情况，深入研究煤层埋藏特点，了解到阳泉市留有桃河保护煤柱、平定县留有南川河中川河保护煤柱，这两条保护煤柱可以作为客运专线通道；盂县方案线路大部分在非煤系地层通过。其中阳泉方案线路经阳泉、寿阳等较大经济据点，加上所经地区有既有石太线、307国道及高速公路，交通发达，能最大程度地吸引沿线客流，提升客运专线的社会与经济价值。盂县方案线路途径地区地形条件复杂，经济欠发达，主要经济据点少，不能更多地吸引客流，与客运专线的效益原则相背离。线路如果经由盂县北侧通过，虽然可以避开大量采空区，但线路走在崇山峻岭，所经地区地形条件复杂，其最长隧道达26km，桥墩最高达140m，技术难度大，施工及运营条件均较差。要从鹿泉市沿既有石太线引入石家庄枢纽，由于既有西北联络线单线能力不足，需改建西北联络线下行疏解线，下行疏解线上跨石太直通线、京广线，工程和拆迁巨大，对城市造成新的分割。石太客运专线联络线自枢纽北部引入后按四线贯通至石家庄北站，需改建获鹿站、石家庄西场、石家庄西为场、石家庄北站，对既有线干扰严重。近期京广客运专线建成以后，石太客运专线从石家庄东站北端引入石家庄东站，但枢纽内的主要跨线旅客列车车流西北方向车流、南东方向车流存在折角运行，极不利于运输组织。盂县方案如果自太原枢纽太原站北端中穿既有北同蒲线引入太原站，太原站至榆次站间增建四线，太原至北营站客车线中穿货车线，榆次编组站客车线外包货车线。增建四线对城市干扰严重，施工过渡复杂、困难，对既有线干扰严重；太原动车运用所设于车站南端，动车走行线自城市密集区穿行，拆迁也很大，难以得到地方政府对项目的支持；同时增加客流后更加剧了车站地区的交通紧张状况。经综合比选研究，推荐阳泉方案。预可研审查及中咨公司评估均推荐阳泉方案。初测过程中根据煤矿和采空区分布情况对阳泉北方案和平定方案做了同精度比较。（三）设计线主要技术标准1线路等级：客运专线，近期兼顾货运2正线数目：双线3速度目标值：250km/h，近期最高运营速度200km/h4最小曲线半径：一般4500m，个别3500m5正线线间距：4.6m6最大坡度：12（四）地形地貌线路从石家庄起，沿华北平原的西缘，向西进入太行山东麓的低山丘陵，沿顺直狭窄的金良河河谷西行，过石太高速公路，进入绵河河谷，跨越雄伟的娘子关，进入阳泉盆地，沿桃河翻越东西分水岭之土陉岭，行进在太行山西麓低中山丘陵上，穿过太原东山，到达太原晋中盆地。该工程横穿太行山山脉，属低中山、低山、丘陵区及山间盆地和山前冲洪积平原。总地势为：西高东低，东部娘子关山高坡陡，峰峦叠嶂，属侵蚀剥蚀低山区，侵蚀切割强烈，支沟纵横，丘陵谷地波状起伏；中部阳泉，丘陵山顶无明显之山脊线，山坡较缓，沟谷开阔；阳泉以西沟谷坡降大，距离仅30km，高差达400m。寿阳大部被黄土覆盖，发育了典型的黄土地貌，分布广泛黄土塬、梁。沿线河谷多属山区中上游河段，河流冲刷以下切为主，河流阶地不发育，多为较狭窄的洪积阶地，至太原为山前冲洪积平原，地形略有起伏，以接受沉积为主。（五）气象特征沿线属暖温带亚湿润气候区，石家庄地区四季分明，石家庄以西地处太行山，受海拔高程的影响，夏无酷暑、冬季严寒，昼夜温差较大，冬季以西风或西北风为主，夏秋季以东北风为主。冻结期11月中旬至翌年3月中旬。按对铁路工程影响的气候分区石家庄、井陉、阳泉、平定属温暖地区；寿阳、太原为寒冷地区。（六）勘测经过及完成工作量在石太客运专线方案研究、初测期间，多次到阳泉矿区收集煤矿开采资料，共收集阳煤集团和43个地方煤矿开采资料，详见矿区资料一览表（表1）。本次初测采用了地质调绘、地质勘探、物探以及遥感等综合勘测方法，其中地质调绘采用了依据导线、手持GPS以及遥感判释等手段。对于采空区除了普查之外，还对距离线位较近的煤矿进行了专门的地质调查和访问，聘请熟悉矿区地质情况的人员一起到各个煤矿落实开采情况，历时两个多月，由于各矿区管理比较完善，资料齐全，经核实采掘工程平面图和井上下对照图真实可靠。表1 矿区资料一览表序号名称比例尺件数（张）1阳泉市郊区煤矿15煤矿分布图12500012郊区部分煤矿基本情况统计表83郊区李家庄乡驼林头煤矿采掘工程平面图1200014郊区李家庄乡驼林头煤矿井上下对照图1200015郊区李家庄桃坡村煤矿采掘工程平面图1200016郊区李家庄乡桃坡村煤矿井上下对照图1200017郊区李家庄乡前进煤矿采掘工程平面图1200018郊区李家庄乡前进煤矿井上下对照图1200019郊区李家庄村煤矿（四海沟）采掘工程平面图12000110郊区李家庄村煤矿（四海沟）井上下对照图12000111郊区平坦镇西河村煤矿采掘工程平面图12000112郊区平坦镇西河村煤矿井上下对照图12000113郊区平坦镇石卜咀煤矿采掘工程平面图12000114郊区平坦镇石卜咀煤矿井上下对照图12000115郊区平坦镇官沟煤矿采掘工程平面图12000116郊区平坦镇官沟煤矿井上下对照图12000117郊区辛兴乡煤矿一坑采掘工程平面图12000118郊区辛兴乡煤矿一坑井上下对照图12000119郊区辛兴乡煤矿二坑采掘工程平面图12000120郊区辛兴乡煤矿二坑井上下对照图12000121郊区辛兴乡坡头煤矿采掘工程平面图12000122郊区郊区辛兴乡坡头煤矿井上下对照图12000123郊区旧街乡煤矿采掘工程平面图12000124郊区郊区旧街乡煤矿井上下对照图12000125平定县鑫盛联营煤矿15煤层井下通风系统图12000126平定县鑫盛煤矿井上下对照图15000127平定县冠山镇庙沟煤矿采掘工程平面图12000128阳泉矿务局五矿小井采掘工程平面图15000129平定县冶西镇办煤矿采掘工程平面图12000130平定县冶西村煤矿井上下对照图15000131平定县冶西村煤矿二坑15煤采掘工程平面图12000232平定县鸿泰煤业有限公司采掘工程平面图12000133平定县冶西镇苇池村煤矿采掘工程平面图12000134阳煤集团五矿贵石沟井15煤层采掘工程平面图15000135平定县煤矿15煤及上组煤分布图15000236平定县17个煤矿采矿许可证1737平定县野外煤矿调查原始记录1638平定县煤矿采空区调查记录1339二矿桑掌区精查地质报告140五矿井田地质报告241苏峪煤矿地质报告142平定县南坳镇煤矿地质报告（部分）143平定县鸿泰煤矿地质报告（部分）144二矿地层综合柱状图1500145五矿宋38号钻孔柱状图1200146平定县南坳村煤矿采掘工程平面图12000147平定县冠庄煤矿15煤采掘工程平面图12000148平定县宋家庄兴达煤矿15煤采掘工程平面图12000149平定县冠山镇南坳煤矿15煤采掘工程平面图12000150平定县冠山镇南坳煤矿15煤上下设备布置图12000151平定县兴裕煤矿15煤采掘工程平面图12000152平定县永兴煤矿15煤采掘工程平面图12000253平定县冶西镇赵家庄煤矿采掘工程平面图12000154平定县冶西镇赵家庄煤矿井上下对照图15000155五矿二采区采掘工程平面图15000156南庄煤矿15煤层采掘工程平面图15000157大阳泉煤矿15煤层储量计算图15000158郊区大阳泉村煤矿15煤层采掘工程平面图12000159郊区神峪煤矿15煤层通风系统图120001二、工程地质特征和水文地质特征（一）地层岩性沿线所经地区地层出露较齐全，下元古界、元古界、古生界、中生界、新生界均有分布。华北平原、太原晋中盆地及丘间谷地分布了新生界第四系黏性土、砂类土和碎石类土，黄土广泛分布于寿阳、阳泉。山区分布了新生界第三系砾岩、砂岩、泥岩、黏土；中生界三迭系的砂岩和古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系的灰岩、砂页岩；下元古界滹沱群及中元古界长城系的古老地层。现按地层时代由新至老简述如下：1.第四系（Q）（1）第四系全新统人工堆积层（Q4ml）填土：主要为填筑土和杂填土，填筑土（粉质黏土）主要分布于公路、铁路及乡村道路路堤，杂填土主要分布于城市及村庄附近，厚约05m，由于杂填土成分复杂，填筑历史长短不一，软硬不均。（2）第四系全新统冲积层（Q4al），分布于河漫滩和一级阶地、华北平原。粉质黏土：黄褐色，硬塑坚硬，夹少量碎石和卵砾石层，厚大于20m。碎石类土和砂类土：黄褐色，中密密实，潮湿饱和。厚020m。（3）第四系上更新统风积层（Q3eol）新黄土：褐黄色、浅黄色，硬塑坚硬，可见大孔隙，具湿陷性，湿陷系数s=0.020.205。（4）第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）新黄土：浅黄、黄褐色，软塑坚硬，垂直节理；具湿陷性，s=0.0150.175底部可见卵砾石层。主要分布于寿阳盂县以西，河谷高阶地也有分布，厚可达30m。（5）第四系中更新统洪积层（Q2pl）老黄土：棕黄、微红色，具垂直节理，夹砂砾透镜体，底部有钙质结核层。碎石土：灰色、褐黄色，中密密实，稍湿潮湿，碎石成分以灰岩为主，局部半胶结。（6）第四系下更新统坡洪积层（Q1dl+pl）粉质黏土：棕红色，硬塑坚硬，夹少量碎石和卵砾石层，遇水易崩解，厚1030m。角砾岩：钙泥质胶结，半成岩易被溶蚀，角砾为灰岩，厚520m。2.上第三系上新统（N2）黏土：棕褐色、红褐色，坚硬硬塑，可见明显层理，一般夹钙质结核层，具弱膨胀性，自由膨胀率40%50%。砂岩：紫红色，泥质胶结，强风化全风化，岩芯呈砂状、砂夹碎块状，碎块手捏即碎。3.三迭系下统（T1）砂岩：紫红色，钙质胶结，薄中厚层状，局部夹页岩、泥岩，节理发育，强风化弱风化，强风化层厚23m。4.二迭系（P）（1）二迭系上统（P2）棕红色钙质、砂质泥岩与砖红色细粒长石砂岩组成，下部为黄绿色、灰白色中粗粒砂岩泥钙质胶结，薄中厚层状，局部夹中厚层状泥岩，节理发育，强风化弱风化，强风化层厚8.010.0m。（2）二迭系下统（P1）以黄绿色中粗粒砂岩为主，夹灰白色杂砂岩和灰黑色页岩、砂质页岩及煤层，主要含煤地层。中上部黄绿色夹紫红色砂质页岩、黏土岩及多层细砂岩组成的韵律层。5.石炭系（C）（1）石炭系上统（C3）以灰色粉砂岩、砂质页岩为主，底部为灰白色石英砂岩，夹45层可采煤，为主要含煤地层，主要分布在井陉、阳泉及平定附近，大部被第四系松散层覆盖。（2）石炭系中统（C2）主要为本溪组灰色、深灰色砂页岩、铝土页岩，有3层灰色中厚层状灰岩，有溶蚀现象，夹煤层，底部有铝土矿，岩层近水平。有12煤层，厚度不大，平行不整合于奥陶系中统（O2）之上。主要分布在井陉及平定附近，大部被第四系松散层覆盖。6.奥陶系（O）（1）奥陶系中统（O2）主要为灰色、深灰色，中厚层厚层状，灰岩夹少量薄层泥灰岩等，岩层产状平缓。有溶蚀现象。分布最广，自井陉至娘子关大面积出露。（2）奥陶系下统（O1）底部有一层黄绿色页岩夹薄层泥灰岩；中部为灰白色、浅粉色，中厚层厚层状亮晶白云岩，下部为灰色，灰白色，中厚层状泥质条带白云岩夹灰白色含燧石条带、燧石结核白云岩，整合接触于寒武系之上。7.寒武系（）（1）寒武系上统（3）底部为一层稳定的黄绿色薄层状页岩，其上为深灰色薄层中厚层状灰岩夹鲕状灰岩，中部为灰色薄层中厚层状竹叶状灰岩、灰岩，上部为灰色薄层中厚层状泥质条带灰岩、白云质灰岩。（2）寒武系中统（2）灰色薄层状页岩夹砂岩，出露较少，及深灰色中厚层状厚层状灰岩、鲕状灰岩。（3）寒武系下统（1）紫红色薄层状页岩夹灰白色中厚层状砂质白云岩，岩层走向北北东向，与线路走向大致垂直。平行不整合于长城系之上。8.长城系（Ch）灰白色、灰粉色中厚层状砂质白云岩夹薄层砂质页岩，微细粒结晶。中部为紫红色中厚层状砂岩、含砾石英砂岩，下部为灰白色、紫红色中厚层厚层石英岩状砂岩，岩层走向北北东向，大致与线路走向垂直。角度不整合于下元古界之上，零星分布于太行山东麓。9.滹沱群（Pt1）肉红色、灰白色中厚层状中-细粒变质长石石英砂岩夹绢云母片岩、变粒岩，下部为灰白色中厚层厚层状白云岩、灰绿色中厚层状安山岩，节理裂隙发育，岩层走向NNE。分布分布于太行山东麓。（二）地质构造石太客运专线处于中朝准地台之山西中台隆的东部属，级构造单元。区内经历了多次构造运动，地质构造复杂。早期加里东运动，使地壳上升，吕梁期造山运动、燕山运动形成了区域构造的基本轮廓，而喜山运动以及新构造运动形成了太原晋中断陷盆地和寿阳黄土堆积区、阳泉凹陷区。沿线主要处于一个大型复式向斜构造的北侧，此向斜内普遍发育石炭、二叠系煤系地层，向斜两翼及北端基本为奥陶系、寒武系、长城系、滹沱群等非煤系地层。沿线主要为三个地质构造单元：井陉构造、沁水盆地、太原晋中盆地。井陉构造位于井陉东南侧吴家窑，主要表现为走向近南北的平行断裂带和轴向北西的褶皱。大部分断裂的断面向西倾，东侧下降，断距较小，一些断裂具共轭性质，次级小断裂以北西向为主，并切过主断裂（见图）。F4逆断层，走向2040，倾向北西，倾角55，断距80m，断裂有1020m宽的破碎带。其中充填了断层角砾岩和断层泥。石佛向斜，轴向北北西，核部最新地层为长城系白云岩。翼部次级小褶皱极发育，具复向斜的形式。线路横穿沁水盆地（向斜）的北端。阳泉娘子关由数个对称平缓开阔的波状背斜和向斜组成，呈反“S”型波状扭性褶曲束（见图）。轴面一般直立为对称型，阳泉以北者微向南东倾斜，呈不对称型。褶曲被断层呈1060斜切，被巨城移良地堑所截而不连续。巨城移良地堑走向北北西（350），南端弯向南东的两个平行正断层组成，断层下盘强烈滑拖和牵引，局部以挠褶代替。断层面倾角6585，垂直断距个别达150m。地堑内发育有次一级断裂。区域性节理主要为两组剪节理，走向分别为NE3070SE155175倾角7090，倾向变化较大。地层总体走向北西北北西，倾向南西，倾角510，受区域构造控制，区内总的构造线方向为北北东及北东向，主要发育一些短轴褶曲及稀疏小断层。由于地层倾角平缓，褶曲的幅度很小，而且向斜及背斜的轴部都比较宽缓，两个短轴褶曲之间往往形成一个鞍部。向斜部位易形成储水构造，为地下水相对丰富地段。太原晋中盆地东侧主要发育了东西向褶断构造和南北向褶皱构造。太原东山的西蒜峪向西至观家峪，东西长16Km，向南至阳曲宽约20km，较紧密平行排列的压性断层和与其相间的褶皱为主，呈现一褶断群(见图) 断层规模小（长38km），走向常呈舒缓波形弯曲，断层面往往具较明显的压性状。南北向褶皱构造主要展布于寿阳、西洛镇一带，多被上更新统黄土覆盖，褶曲多较开阔(两翼平缓610)，且基本对称，两端分别向南北逐渐倾伏。由于受相邻构造运动的影响，致使褶曲多向北东南西偏转，且往往呈朝东微凸的弧形弯曲。太原晋中盆地是新构造运动的一个典型而完整的记录，自新生代以来，它继承和发展了燕山运动晚期构造运动的特征，经过喜山运动继续强烈下沉，其中堆积了巨厚的第三系和第四系而成为典型的断陷盆地。（三）地震根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）沿线地震动峰值加速度（地震基本烈度）划分如下：石家庄井陉 地震动峰值加速度0.05g（度）井陉阳泉、平定榆次东 地震动峰值加速度0.10、0.15g（度）榆次东太原 地震动峰值加速度0.20g（度）（四）水文地质特征沿线水系属海河、黄河两大水系，发育有金良河、绵河、桃河、白马河、潇河，以土陉岭为分水岭，白马河为潇河支流，属黄河水系；桃河、绵河、金良河及其支流属海河水系，河水流量受季节影响变化大，夏秋季河水暴涨，冬春季局部断流。地下水类型主要有第四系孔隙水、碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水，大部地区地下水对混凝土不具侵蚀性。（1）第四系孔隙水主要分布于冲洪积平原及现代河床以及低洼河谷中的冲积、洪积及坡积层中，以潜水为主，局部具承压性，水位水量随地形、地貌和季节变化，主要受大气降水补给，局部受基岩裂隙水补给，以蒸发排泄为主。含水层为卵砾石及砂层。绵河河床、漫滩、级阶地上，地下水埋深420m。桃河河床旱季干涸，仅桃河源头及绵河一段，河内长年流水，河床潜水较丰富。白马河旱季河床有少量流水，两岸水井主要取用砂层潜水，潜水位24m。有的采用集水管取用，为该地主要生产生活用水源。（2）碳酸盐岩岩溶水岩溶水是区内主要含水层，广泛出露于线路的东部，西端埋藏较深，一般多在300800m。东部地表河流可以直接补给，如阳泉市以东白羊墅至乱流约4公里的河段漏失显著，据山西省娘子关泉流域岩溶地下水评价资料，该段漏失量高达3.8万m3/d，河流水全部补给了奥陶系灰岩岩溶水。故东部地区富水性比西部好。奥灰岩溶水水位具有比较统一的水位，静止水位一般多在390400m高程，而且西部地区较高，东部地区较低，水流坡度较缓，形成了一个总体由西向东的地下径流带，到娘子关后泻出地表（娘子关的泉水出水高程为366m），形成了著名的娘子关群泉。（3）基岩裂隙水分布于二迭系及三迭系地层中，主要由裂隙砂岩、粉砂岩组成。砂岩为主要含水层，一般出露较高，地表裂隙发育，透水性较好，雨季常沿裂隙泻出形成下降泉。三、矿区地质条件、沿线煤矿分布和开采现状（一）煤系地层本地区主要含煤地层：石炭系上统太原组（C3t）、二迭系下统山西组（P1s）地层。矿区含煤面积2500km2，阳煤集团现生产矿井地质储量41.4亿吨，赋存15层煤，煤层编号为115号，15号煤层厚度5m7.0m，其它煤层厚度在0.8m2.5m范围内变化。煤层总厚为16.8m，其中可采及局部可采煤层7层，主要可采煤层为3号、8号、9号、12号、15号煤层。矿区还伴生其它有益矿床，如黄铁矿、铝土矿、瓦斯、铁矿、含锰铁矿、石膏等。煤层情况分述如下：1二迭系下统山西组（P1s）：岩性主要为灰、深灰灰黑色砂质泥岩、泥岩及灰白色、灰黄色细中粒砂岩及煤层组成。含煤46层，均为局部可采或不可采煤层。煤层分别为1号煤，不可采；2号煤，北东部局部可采；3号煤，俗称七尺煤，局部不可采；6号煤，局部可采。本组地层厚度一般为30110m。连续沉积于太原组之上，以其底部砂岩与太原组分界。2石炭系上统太原组（C3t）：岩性主要为灰色、黑色黑灰色砂质泥岩、泥岩，灰白色砂岩，深灰色石灰岩及煤层组成。含煤68层，分别为8号煤、9号煤、11号煤、12号煤、13号煤、14号煤、15号煤，除15号煤（俗称丈八煤）为稳定可采煤层外，8号煤、9号煤、12号煤、13号煤局部可采，11号煤、14号煤为不可采煤层。本组地层厚度一般为90140m。连续沉积于本溪组之上，以其底部K1砂岩与本溪组分界。3.各可采煤层顶底板3煤：顶板以砂质泥岩、泥岩为主，厚约2m左右，局部为细砂岩。底板以砂质泥岩、泥岩为主，局部为粉砂岩。6煤：直接顶板多为厚约4m的砂质泥岩，局部为中粒砂岩。底板以砂质泥岩，局部为中砂岩。8煤：直接顶板多为厚约4m的泥岩、砂质泥岩，岩性致密，含菱铁矿结核。底板为砂质泥岩或泥岩。12煤：直接顶板多为泥岩或砂质泥岩。底板为砂质泥岩、泥岩。15#煤：顶板为砂质泥岩、泥岩，厚度变化较大。底板多为砂质泥岩或泥岩，局部为细、中粒砂岩。（二）矿区地质构造矿区位于沁水块坳之东北边缘，地层总体产状：北部为走向东西，东部为走向北东，倾角一般不超过10，发育有北北东至北东的次一级褶曲及断裂构造，由于历次构造运动影响，形成了不同类型的构造体系，彼此复合交汇，导致局部构造比较复杂。对本区有控制作用的主要构造如下：1.东西向构造：主要发育在盂县岭底村-管头一线附近，盂县一带主要为近东西向短轴波状褶曲，两翼平缓，伴生张性正断层。2.南北向构造：主要发育在东冶头、皋落一带，分布在赵壁河、苇泽关等地，如苇泽关断层，南界都-斜峪沟断褶带。3.北北东向构造：主要为新系构造，分布于本矿区之东北边缘，如张家庄-脑寨山断裂带、柏井-槐树镇断裂带、张庄-大寨断裂带及小河断层带等。褶皱为走向北北东的短轴波状褶皱。伴生断层规模较小，落差30-100m，多数小断层在10m以下。4.北西向构造：主要发育在本矿区东部，以巨城断裂带为代表，由两个背斜，中间向斜及向斜两侧两条断层组成，延伸长度30km。5.矿区内岩溶陷落柱（无炭柱）比较发育，此外，上部山西组煤层古河流冲蚀于一定区域内也比较发育，造成煤层薄化乃致不可采。（三）矿区水文地质矿区属海河流域子牙河水系滹沱河支系，主要河流有桃河、南川河、中川河、北川河。南川河由西向东横贯全区，中川河、北川河经冶西村向东在宋家庄汇入南川河。北川河水流量受季节影响变化大，夏秋季河水暴涨，冬春季局部断流。南川河向东经南坳、南堑石、西郊村再向北流入桃河。河床一般宽400500m左右，河床两侧筑堤造田，河床旱季无水，暴雨时有暂时洪流及洪峰急流。枯水期流量为3050升/秒，雨季增至60300升/秒，它们的流量分别由上冶头、尚怡、原坪水库控制。本区含水层自下而上有奥陶系及石炭系太原组石灰岩岩溶、溶隙水、二迭系山西组砂岩裂隙水，第四系河床冲积层潜水，冲积层厚515m，由卵石土、砂类土、粉质黏土、粉土组成，水位埋深浅，含水丰富。（四）沿线煤矿分布阳泉矿区位于山西省东部，沁水煤田之东北边缘，地跨阳泉、寿阳、昔阳、和顺、左权等市县。北与东为太行山隆起，多出露灰岩和变质岩，南与潞安矿区接攘，西南为煤田盆地中心，煤系深埋于1000m以下。见石太客运专线阳泉段煤矿分布及采空示意图。阳泉北方案自CK104+775至方案终点CK193+150均通过煤系地层，长度约91.2km。平定方案自CIK103+380至终点CK193+150均通过煤系地层，长度约100.66km。煤层埋深：平定、阳泉东侧地表出露，顺线路方向自东向西逐渐加深，至寿阳最深约为1200m，再逐渐变浅，至CK193+150埋深约600m。沿线煤矿主要包括阳煤集团所辖二矿、三矿、四矿、五矿、新景矿、黄丹沟煤矿及阳泉、平定境内的地方煤矿。这些矿大多属国有矿，开采数十年，地下巷道纵横交错，已形成了较大范围的采空区，个别山体已出现了塌陷和采动滑坡，属场地不稳定区。1阳泉北方案沿线矿区情况阳泉北方案位于阳泉市北侧，向西沿既有线和桃河行进，煤矿分布密集，有国有二、三、四矿、新景矿和近20个郊区煤矿，沿线矿区主要有：（1）桃坡煤矿：位于阳泉市郊区甄家庄陈家沟矿区，地质储量39.18万吨，可采储量15万吨，1987年建井，开采15煤，顶板页岩，底板砂岩，为低瓦斯矿井，斜井开拓方式，单钩串车提升，仓贮式采煤方式，回采率30，中央并列抽出式通风，矿区内褶曲构造为主，走向为东北-西南，倾向分别为330，倾角一般5。（2）石卜嘴煤矿：位于位于阳泉市郊区石卜嘴村水泉沟矿区，地质储量140万吨，可采储量70万吨，1958年建井，1958年投产，开采15煤，顶板页岩，底板页岩，为低瓦斯矿井，设计生产能力为3万吨/年，现实际生产能力为2.8万吨/年，多级排水，混合开拓方式，单钩串车提升，高落式采煤方式，中央并列抽出式通风，矿区内褶曲构造为主，走向为东北-西南，倾向分别为335，倾角一般3.3。（3）官沟煤矿：位于位于阳泉市郊区平坦镇官沟村，地质储量48.9万吨，可采储量38万吨，1984年建井，1986年投产，开采3煤，为高瓦斯矿井，设计生产能力为3万吨/年，现实际生产能力为3万吨/年，一级机械排水，斜井开拓方式，单钩串车提升，刀柱式采煤方式，回采率40，中央并列抽出式通风，矿区内褶曲构造为主，走向为北西-南东，倾向分别为217，倾角一般7.1。对线路有影响。（4）辛兴乡二坑：位于位于阳泉市郊区辛兴乡，为乡办企业，地质储量320万吨，可采储量61.8万吨，1992年建井，1996年投产，开采15煤，为高瓦斯矿井，设计生产能力为4万吨/年，现实际生产能力为3.5万吨/年，二级机械排水，斜井开拓方式，单钩串车提升，仓房式采煤方式，回采率60，中央并列抽出式通风，矿区内褶曲构造为主，走向为北西-南东，倾向分别为217，倾角一般5.1。对线路有影响。（5）旧街煤矿：位于位于阳泉市郊区旧街乡，地质储量201万吨，可采储量121.6万吨，1979年建井，1984年投产，开采3煤，顶板泥岩，底板泥岩，为高瓦斯矿井，设计生产能力为9万吨/年，现实际生产能力为9万吨/年，多级排水，斜井开拓方式，单钩串车提升，刀柱式采煤方式，回采率50，中央并列抽出式通风，矿区内褶曲构造为主，走向为北东-南西，倾向分别为298，倾角一般5.4。对线路影响范围很大。（6）阳泉二矿为阳煤集团下属国有煤矿，位于线路南侧，于1908年开办，现井田面积为62.4km2，该矿北部3煤，8、9、12#、15#煤层已拟建开采。煤层埋深由东向西埋深100450m，多煤层开采，煤层厚总约10m，采用走向长壁式普采，回采率85%，矿区内岩层走向为北西，倾向南西，倾角一般5150左右。有大面积采空区，地表有塌陷和山体变形，对线路影响范围很大。2. 平定方案沿线矿区情况平定方案沿线及附近共有13个煤矿，其中4个矿对线路有影响，现分述如下：南坳村煤矿，位于平定县城南2公里，南坳村西北部，北和孙家村相邻，东北部与15煤层露头线相连，阳泉五矿铁路支线从该矿西南部通过，距东关煤站和太旧高速公路入口出均近，该矿为村办煤矿，采15无烟煤，矿区面积为0.96平方公里，为低沼气矿井，地质储量为10万吨，目前年生产能力为1.5万吨，该井田属沁水煤田阳泉矿区，含煤地质为石太系太原组，煤层北高南低，倾向为2160，倾角一般90左右。煤矿采空边界位于线路右侧60m，对线路有影响。宋家庄兴达煤矿，位于平定县冠山镇宋家庄村南，平定县城西南4.5公里处，距太旧高速公路平定入口处4公里。该矿为村办企业，1998年建井，该井田属沁水煤田，位于阳原矿区平定矿区，开采15无烟煤，井田面积为1.65平方公里，现保有量为540.99万吨，设计生产能力为8万吨/年，现实际生产能力为5万吨/年。井田内北部采空多，紧邻南川河床，受地层水位影响较大。矿区内以褶曲构造为主，煤层倾向为2730，倾角4.3010.90，线路通过采空区。南坳镇办煤矿，位于平定县城南，宋家庄村西，矿井井田西邻阳煤集团五矿，西南与苏峪煤矿接壤，北为宋家庄煤矿，于1989年建成投产，开采15无烟煤种，矿井规模为9万吨/年，矿区面积为1.42平方公里，地质储量为343.1万吨，该矿井田属于太行山中段，南川河东南中低山地带，矿区内煤层倾向为1740，倾角15.9017.40，煤矿采空边界位于线路左侧110m，对线路有影响。赵家庄煤矿，位于赵家庄村西侧，属村办企业，井田面积0.815平方公里，地质储量563.8万吨，可采储量410万吨，现开采15煤层，始建于1985年3月，投产于1989年12月，年设计生产能力6万吨，实际生产能力6万吨，斜井开拓方式，采煤方法由条带式准备改变为壁式，矿井涌水量较少，属高沼气矿井，矿区内煤层倾向为2370，倾角3.30左右，线路通过采空区。原二处煤矿，为五矿附近属单位，于八十年代关闭，线位附近未开采，对线路无影响。五矿为阳煤集团下属国有煤矿，矿井设计能力为400万吨/年，以开采3、6、8、12、15为主，采用走向长壁式普采，回采率85%，井田从50年代开采至今，周边小矿均为人工炮采，矿区内岩层走向为北北东，倾向北北西，倾角一般100左右，煤矿采空边界位于线路右侧200m，对线路无影响。综上所述，石太高速公路北侧由于煤层埋深较浅，南侧山高煤层埋深大开采困难且分布有无炭柱，阳泉北方案和平定方案通过现有矿区的长度分别为19 km和10km。四、采空区稳定性分析（一）地表移动变形1.平地地表移动及变形特征当地下煤层被大面积采空后，顶板首先冒落，岩层变形逐渐向上部扩展，并引起地表下沉变形。地表变形最初为小型凹地，随着采空区的不断扩大，凹地逐渐扩展为凹陷盆地，此盆地即为移动盆。采空区上部岩层和地表变形区可按常规分为“横三区”、“竖三带”，即自煤层顶板向上根据岩层变形特征划分为冒落带、裂隙带和弯曲带（见图1），地表横向上自移动盆地中心向盆地边缘分为均匀下沉区、移动区和轻微变形区。图1 上覆岩层移动带划分由于开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方法、岩性以及煤层的产状不同，地表移动和破坏的形式也不一样。采深和采厚的比值较小时，地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。这时，地表的移动和变形在空间和时间上都是不连续的，即在渐变中有突变，它们的分布没有严格的规律性。当采深与采厚的比值较大时，地表将不出现大的裂缝或塌陷坑。这时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，它们的分布有明显的规律性。对于建筑物和铁路，连续的地表移动比较有利，不连续的地表移动则不利。根据现场调查，本区地表移动和破坏的形式主要有以下两种：（1）地表移动盆地开采影响到达地表以后，受采动的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方的地表形成一个比采空区大的洼地，即地表移动盆地。地表移动盆地的形成有一个过程。用长壁式全部冒落法开采时，回采工作面自开切眼推进达（1/41/2）H0（H0为平均开采深度）的距离后，开采引起的岩层移动波及地表，在地表出现一个相应的的盆地（见图2）。随着工作面继续推进，地表移动盆地的范围继续扩大，盆地各点的下沉值也继续增大。当工作面推进到一定距离后，盆地的下沉值达到该地质条件下的最大值，继续增大开采宽度，盆地的范围将不断扩大，但下沉值不再继续增加。如果工作面停止推进，再经过一定时间后，移动盆地各部分的移动和变形就逐渐稳定下来，形成最终地表移动盆地，或称静态移动盆地。图2 地表移动盆地的形成过程实测资料证明，最终的地表移动盆地的范围总是大于采空区的面积，盆地的形状和位置取决于采空区的形状和煤层倾角的大小，煤层开采后形成的采空区大多为长方形，盆地的形状大致呈椭圆形（图3）。图3 近水平煤层充分采动时的最终地表移动盆地0为煤层走向方向上的移动角；3为煤层走向方向充分采动角；W0为最大下沉值。（2）裂缝开采近水平或缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，地表可能出现裂缝。裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表土受到拉伸变形大小密切相关，亦即与采深、采厚、顶板管理方法、表土厚度和岩性有关。裂缝的形状如楔形，上口大，愈往深处愈小，在一定深度尖灭。较大裂缝两侧的地表，往往有一定的落差。2山区地表移动及变形特征开采影响下的山区地表移动规律与平地的移动规律有明显的不同。山区采支地表的移动除了有一般的地表移动形式外，还可能有两种形式，一种是滑坡，一种是滑移。滑坡指的是地区本来就存在滑坡条件或有古老滑坡，由于开采影响诱发滑坡或引起新的滑动。这种滑坡的移动量移动速度都较大，移动方向不一定指向山坡下方。在多雨且坡度较大的山区，这种滑坡可能形成泥石流。开采引起的滑坡是属于工程地质和水文地质的问题，应采取工程地质和水文地质手段来解决。滑移指的是开采引起的地表移动过程中表土层或风化层在重力分量的作用下沿山坡向下的缓慢滑动。它是与采动沉陷过程同时发生的，其移动量、移动方向和移动范围取决于地表倾角、倾向、移动盆地位置及附近的微地貌。一般来说，这种滑移的移动量和移动速度与采动影响的大小有关，且滑动方向总是指向山坡的倾斜方向。开采引起的山坡表土层或风化层在采动沉陷过程中的滑移属于地表移动范畴，是山区地表移动最普遍的现象。（二）影响地表塌陷的主要因素1上覆岩层的性质在相同的开采条件下，岩性坚硬且整体性较好的岩土层，塌陷后影响面积较大，但地表种种移动与变形值相对较小，破坏程度较轻。岩性较弱且节理裂隙发育的岩土层，地表塌陷影响面积略小，但移动变形值较大，破坏程度相对加重。测区内煤矿主要开采近水平或倾角很小的煤层，直接顶板为厚度较大的软岩及中硬岩层所组成。当采用仓房式开采方法时，约50%的煤原封不动，以支撑坑道的顶部，这些残存的煤柱最终风化、丧失其抗压强度并逐渐坍塌，沉降是个缓慢的过程。使用长壁式采煤法全部冒落处理采空区时，采空区顶板在自重和上覆岩层重力作用下弯曲下沉，当其内部拉力超过岩层强度极限时，便断裂、破碎而冒落，冒落的矸石堆积在采空区内直至支撑住上面岩层，形成冒落带。上面岩层继续弯曲、下沉，压缩堆积的矸石，当其弯曲下沉所产生的拉应力超过该岩层的强度极限时，还要产生开裂，或者由于各岩层强度不同，弯曲下沉速度不同，岩层与岩层之间产生离层，形成裂缝带。裂缝带的岩层，在重力作用下，虽然仍会弯曲下沉，但是受到移动空间的限制，弯曲下沉程度减少，可能不再开裂，形成弯曲下沉带。如果采空区范围相当大，弯曲下沉带一起可以发展到地面。移动稳定后，上位岩层及地表的最大下沉量可达煤层开采厚度的6090%，甚至更高。2水文地质条件和地质构造 如果覆岩和表土层含量较大，地表塌陷面积和塌陷区的破坏程度将有所增加。如果塌陷区内靠近地表存在较大的断裂构造，则构造断裂带附近将出现较大的移动和变形破坏。3地形与微地貌特性山区倾斜地表将产生附加采动滑移，滑移方向指向下坡方向，因而凸形变坡部位将产生附加水平拉伸变形；山形地貌部位将产生附加的水平压缩和正曲率变形。梯田的地棱边、陡崖的边缘附近常出现裂缝。4煤层开采条件的影响煤层开采条件包括开采深度、开采厚度和煤层倾角。在其它条件相同时，地表破坏程度与开采深厚比（H/M）呈反比函数关系；开采煤层的倾角影响变形塌陷范围相对于采空区的位置；倾斜煤层开采时，塌陷区将偏向下山方向。下山方向的移动变形范围和破坏程度将有所增加。5采煤与顶板管理方法的影响地表塌陷范围以及移动、变形和破坏程度与煤层采空区的大小及煤炭采出率有某种正比关系。长壁式大冒顶充分开采的下沉系数可达0.70.9；条带式、房柱式等开采的下沉系数则与煤炭采出率有关，一般在0.3以下。显然下沉系数愈小，地表破坏范围和程度也就愈小。6开采次数影响在其它条件相同时，重复开采的地表塌陷破坏程度比初次开采略大一些，原因是覆岩经初次开采后，其坚固性系数将有所降低，重复开采时其下沉系数有所增大。在充分开采条件下，一次重复开采的下沉系数可增加0.1左右，再次重复开采时，增加的幅度将显著减小。7综采放顶煤开采影响与其它开采方法相比，综采放顶煤条件下的地表变形剧烈，各种变形值增大，地表移动期短，破坏程度相对加重，但地表最终下沉值较分层开采要小。8开采厚度与开采深度的影响开采厚度对上覆岩层及地表的沉陷过程的性质有重要的影响。采厚越大，冒落带、导水裂缝带高度越大，地表移动变形值也越大，移动过程表现得越剧烈，因此移动和变形值与采厚成正比。地表移动值既与采厚成正比，又与采深成反比，所以常用深厚比（H/m）作为衡量开采条件对地表沉陷影响的粗略估计的指标。深厚比越大，地表移动变形值越小，移动和变形就越平缓，深厚比越小，地表移动与变形就越剧烈。在深厚比很小的情况下，地表将出现大裂缝、台阶状断裂，甚至出现塌陷坑。（三）地表塌陷情况1.矿区塌陷情况据调查，阳煤集团所属五个生产矿井均产生了地表塌陷，主要分布于阳泉北方案沿线，部分位于塌陷区的村庄进行了搬迁处理。塌陷情况见以下照片：赛鱼车站2.破坏特征（1）地表塌陷破坏最严重的是采动滑坡地山区煤矿地表移动观测和研究表明，倾斜地表的移动变形是采动影响和地表倾斜两种因素的综合影响。凸形地貌拉伸变形明显，凹形地貌压缩变形明显。当凸形地貌位于开采边界附近时，地形附加滑动拉伸变形就可能与开采拉伸变形叠加，从而出现更大的拉伸变形，使地表某些变坡部位发生宽度和落差达数米的巨大裂缝，甚至发生采动滑坡。根据阳泉矿区多年来地表移动观测资料分析，地表塌陷范围内的水平移动一般都比类似地质条件的平地大。山区地表塌陷最主要的特征就是不同宽度和落差的地表裂缝以及不同规模的采动滑坡。（2）在地表塌陷裂缝中，大约有60%以上属动态裂缝，这些裂缝密度虽然大，但宽度和落差均较小，在坡角小于10的地区，这种动态裂缝待开采沉陷稳定后一般均可自行密合，因而对土地的破坏影响较轻。（3）山区梁峁等凸形地貌部位的塌陷裂缝比沟谷等凹形地貌部位更为发育，但凸形地貌的开采深度相对来说要比凹形地貌大许多，所以凸形地貌部位由于采深的增大，裂缝的发育也会受到一定控制。在单一煤层开采条件下，当开采深厚比大于100150时，地表裂缝将明显减少。（四）采空塌陷稳定分析1采空塌陷稳定时间在充分采动或接近充分采动情况下，下沉值最大的地表点从移动开始至移动稳定所持续的时间称为移动过程的总时间（移动稳定标准按煤矿测量规程一般为6个月内累计下沉值不超过30mm）。地表移动总时间的长短主要决定于岩层性质、开采深度和工作面推进速度等因素。矿区内煤层为长壁全陷法开采时，覆岩相对软弱，采深为60460m，当采用长壁全陷法开采时，回采率达80%以上，塌陷区最大下沉点的下沉在3年左右基本趋于稳定（依据6个月内累计下沉值不超过30mm，认为地表移动期结束），剩下的变形就是残余变形，虽然变形量不大，但是不均匀变形和年沉降速率仍然很大，发育地裂缝也是常有的现象。当采用仓房式人工炮采开采时，回采率一般为30%左右，留有煤柱以支撑坑道的顶部，这些残存的煤柱最终风化、丧失其抗压强度并逐渐坍塌，沉降是个缓慢的过程，塌陷区稳定需更长时间。客运专线采用无缝钢轨，路基工后沉降要求是150mm，年沉降速率40mm，桥梁的要求更加严格，所以塌陷区达到客运专线标准的稳定时间会更长。2开采安全深度计算根据铁路工程地质手册推荐的计算方法，安全开采深度为