某石棉礦采空區對鐵路的穩定影響分析

張津衛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

某石棉礦采空區對鐵路的穩定影響分析

張津衛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

擬建鐵路線位穿越一個規模較大的石棉礦區，分析研究石棉礦區的地層結構、礦層分布深度和范圍以及開采方法等因素，選擇合理的計算模型和參數，確定石棉礦采空區的塌陷穩定影響范圍及其對鐵路穩定性的影響，從而確定線位和走向方案。

采空區 礦柱 塌陷邊界 影響范圍

1 概況

該石棉礦區位于大連經濟技術開發區的東北部，受斷裂構造的影響，分為北礦和南礦，南北兩礦均為地下開采，南礦開采長度沿走向為4 000 m，北礦為1 450 m；南礦沿傾向采深為-450 m，地表影響帶寬度570 m，北礦沿傾向采深大約為-50 m，地表影響帶寬度約為170 m；采空區的影響面積南礦為2 km2，北礦約為0.9 km2。

2 線路方案與礦區位置關系

擬建鐵路在初測階段的貫通方案和兩個比較方案(高速公路北方案和高速公路南方案)均經過石棉礦區，其中貫通方案和高速公路北方案距石棉北礦較近，高速公路南方案距石棉南礦較近(見圖1)。

圖1 線路方案與礦區關系

3 地形地貌及采空區微地貌

線路經過地區為丘陵及丘間洼地，地形起伏較大，大部為城市居民住宅及廠房用地，地表坡殘積覆蓋層厚度0～40 m，局部地段基巖裸露。

該石棉礦采用地下開采方式，當礦層開采達到一定面積時，采空區上覆巖層原有的平衡狀態被打破，產生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形和破壞，影響到地表則形成地表移動盆地。

4 地層及地質構造

本區上部地層主要為第四系沖洪積、坡洪積冰磧層，由含礫粉質黏土、淤泥質粉質黏土、碎石類土等組成，厚度0～40 m；下伏震旦系中統石灰巖、泥灰巖及白云質灰巖，夾厚度約2.0 m的石棉礦層。

線路所經地區位于中朝準地臺的南部，總體較穩定，區內褶皺不發育，但斷裂構造十分發育，主要有金州斷裂，是一條區域性大斷裂，斷裂帶寬度約15～50 m，表現為壓扭性，產狀190°∠50°，帶內斷層泥發育，兩盤呈全風化狀態。據大連地震小區劃資料，該斷裂在早更新世時有過劇烈活動，從中更新世以來沒有明顯活動性。礦區巖體呈近南北向展布，地層傾向近東，傾角20°～50°，斷層主要包括近SN向階梯斷層和近EW向橫斷層，傾角在14°～27°間，屬礦后斷層，將礦體切割成數段或造成無礦帶。

5 水文地質概況

該區地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，埋深一般較大，主要受大氣降水及海水補給，排泄方式以蒸發、向海洋排泄、礦井蔬干和人工開采為主。由于礦井蔬干，局部形成地下水漏斗。

6 礦產資源分布及開采情況

6.1 石棉礦資源分布

石棉北礦礦層產于輝綠巖的下盤，距巖體1.0～1.5 m，礦層為層狀，其產狀與圍巖一致。礦體沿走向控制長度1 900 m，受成礦后斷裂錯動破壞，被切割成四段。礦體沿傾向控制最大深度-50 m，礦體埋藏較淺，并有露頭出露。礦體傾角一般為15°～50°，礦體平均厚度2.0 m。

石棉南礦礦層也位于輝綠巖的下盤，距巖床1.0～1.5 m，共有兩個含礦層，其產狀與圍巖一致。礦體沿走向長5 200 m，工程控制4 300 m，沿傾向至高程-450 m尚未尖滅，礦體平均厚度1.98 m，礦體傾角一般在50°～80°之間，石棉為橫纖維復式脈，與脈石易分離。

6.2 開采情況

石棉北礦于1912年開始進行小規模露天開采，日偽時期停采，直到解放后才開始進行正規開采，歷時50年左右，于1960年因資源枯竭而停采閉坑。

石棉南礦于1958年進行小斜井的沿脈開采，采深到高程-100 m，采用的采礦方法為巷柱法，深部改為淺孔留礦法，1970年小斜井開采結束。1966年礦山開始擴建，開采總長度4 000 m，開采深度為高程-450 m。每50 m為一個中段，整個礦山共9個中段，每個中段采用脈內外雙開拓。

7 地面塌陷情況

根據現場調查及收集礦區資料，采空區范圍均不同程度地產生地面變形，垂直變形量達10 m，且隨著時間的推移垂直變形量不斷增加。伴隨著地表移動盆地的形成，會產生地面下沉、裂縫、傾斜水平位移等一系列變形現象，從而形成漏斗及沉陷盆地，開采較淺的已形成沉陷坑。

近期情況調查：金源南里小區在2007年發生過一次地面塌陷事故，塌陷坑直徑10 m左右，深12 m左右。發生塌陷處為石棉礦斜井井口處理不好導致的進口附近地層滑動造成；石棉北礦(在開發區一中2路公交站附近)也曾發生過小塌陷，發生時間較早，塌陷坑直徑3～4 m左右，深4 m左右。

8 預留礦柱及塌陷邊界計算

8.1 計算方法

線路在采空區之外穿越石棉礦，單側預留石棉礦柱寬度(L)的計算公式為

L=L1+L2+L3ctgα1+L4ctgα2

計算模型見圖2。

注：L1為路基結構半幅寬；L2為維護帶寬度；L3為土層厚度；L4為巖層厚度；α1為土層移動角；α2為巖層移動角。

8.2 安全保護石棉礦柱計算

(1)方法1

L1：路基結構半幅寬按15 m考慮；

L2：維護帶寬度取20 m；

L3：土層厚度取40 m；

L4：石棉北礦采空區底板高程為-50 m，地面高程80 m，巖層厚度為90 m；

石棉南礦石采空區底板高程為-450 m，地面高程為80 m，巖層厚度為490 m。

α1：土層移動角取45°；

α2：巖層移動角45°。

石棉北礦：L=15+20+40ctg45+80ctg45=163 m

石棉南礦：L=15+20+40ctg45+490ctg45=565 m

(2)方法2

L1：路基結構半幅寬按15 m考慮；

L2：維護帶寬度取20 m；

L3：土層厚度取40 m；

L4：石棉北礦采空區底板高程為-50 m，地面高程為80 m，巖層厚度為90 m；

石棉南礦石采空區底板高程為-450 m，地面高程為80 m，巖層厚度為490 m.。

α1：土層移動角取45°；

α2：巖層移動角55°。

石棉北礦：L=15+20+40ctg45+80ctg55=131 m

石棉南礦：L=15+20+40ctg45+490ctg55=418 m

9 結論

通過對礦區影響邊界計算，得出原貫通方案(CK41+500～CK44+000)、高速公路北方案(CIK41+700～CIK44+200)、高速公路南方案(CIIK38+100～CIIK40+900)均經過該石棉北礦和南礦的采空及其塌陷范圍，該礦的采空區范圍及開采巷道布置和地面變形等因素對線路穩定性有較大影響。

部分線路穿越石棉北礦的采空區域，其余則穿越石棉南、北礦的塌陷影響范圍，屬地質災害中等發育區。由于南礦開采深度深，開采深度為高程-450 m，采空區處理難度較大，因此建議線路繞避采空區，以滿足其安全要求。

[1] 鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[2] 鐵道第二勘察設計院.TB10027—2001鐵路工程不良地質勘察規程[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[3] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].北京：中國建筑出版社，2005

[4] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

AnalysisoftheImpactofAAsbestosgGoafontheStabilizationoftheRailway

ZHANG Jin-wei

2014-06-24

張津衛(1965—)，男，助理工程師。

1672-7479(2014)05-0058-02

P642

： A