石村鐵礦區及采空區工程地質選線研究

王九一

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Study on the Geologic Route Selection in Shicun Iron ore Area and Goaf of Shanxi South Central Railway

WANG Jiuyi

石村鐵礦區及采空區工程地質選線研究

王九一

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Study on the Geologic Route Selection in Shicun Iron ore Area and Goaf of Shanxi South Central Railway

WANG Jiuyi

摘要通過綜合勘察方法，查明礦區界線范圍，為繞避或壓礦賠付準確評估做好基礎；同時，查明采空區界線范圍，為繞避或進行可靠治理防護提供設計依據，最終確定線路繞避鐵礦方案。

關鍵詞工程地質方案繞避鐵礦區采空區

1自然地理概況

山西中南部鐵路通道洪洞至湯陰東段，線路通過林州盆地、太行山山前丘陵，地形起伏不大，其相對高差為5~30 m，線路在此設站后向東行進必須經過石村鐵礦區。

線路所經地區屬溫暖帶亞濕潤區，具季風大陸性氣候特征，四季分明，冬長夏短。春季干燥多風，夏季炎熱，雨量集中，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥，雨雪偏少。按對鐵路工程影響的氣候分區，屬寒冷地區。

根據國家地震局1∶400萬《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，地震動峰值加速度0.15 g，地震烈度Ⅶ度，地震動反映譜特征周期0.40 s。

2區域地質概述

2.1　地層巖性

地層巖性主要為第四系全新統松散堆積、奧陶系碳酸鹽巖(灰巖、白云巖)及燕山期侵入巖(閃長巖)，礦體為燕山期閃長巖與灰巖接觸變質帶大理巖內的矽卡巖型磁鐵礦體，礦體厚8 m左右。

據勘察揭露顯示，地層按其成因分類，主要為新生界第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土、粗圓礫土、粗角礫土；第四系上更新統坡洪積層(Q3dl+pl)粉質黏土、粗圓礫土；第四系中更新統洪積層(Q2pl)粉質黏土、中砂、粗圓礫土、粗角礫土、細角礫土；第四系下更新統沖積層(Q1al)黏土；燕山期閃長巖；古生界奧陶系中統統下馬家溝組灰巖、大理巖。

2.2　地質構造

石村鐵礦地處太行山脈中山區與林州盆地交界，太行山塊隆與林州斷陷交界，靠近太行山交界處為任村-西平羅大斷裂，任村-西平羅大斷裂為太行山東麓斷裂帶西側斷裂。石村鐵礦區域內無地質構造，燕山期閃長巖侵入灰巖形成不整合接觸面，巖質較硬。

2.3　水文地質特征

(1)地表水

地表水系不發育，無常年性地表水體，地表水主要為大氣降水形成的地表面流，水量受季節性影響變化較大，其自然排泄暢通，勘察期間地表水主要以石村河礦坑排水和農田灌溉用水為主，石村河水質渾濁，含砂量較大，水量變化較大，受大氣降水及礦坑排水影響。農田灌溉用水主要引自紅旗渠二干渠，水質清澈。

(2)地下水

根據地下水賦存條件、水理性質及水力特征，場區地下水主要為松散巖類孔隙水與碳酸鹽類裂隙巖溶水，地下水不發育。

松散巖類孔隙水：分布于第四系覆蓋層中，以滲流、蒸發形式排泄。

勘探期間地下水水位埋深1.1～18.1 m。

碳酸鹽類裂隙巖溶水：存在于奧陶系灰巖、大理巖中，場區巖溶不甚發育。該類地下水主要補給來源為大氣降水，動態變化大，埋深約45.00～55.00 m，地下水類型為HCO3·SO4-Ca。

侵入巖基巖裂隙水類型：主要分布于燕山期閃長巖基巖裂隙中，主要補給來源為大氣降水，動態變化大。

3鐵礦地質特征及采空現狀

3.1　鐵礦地質特征

鐵礦礦體是產于閃長巖圍巖接觸帶的矽卡巖和矽卡巖化灰巖中的大型礦床，礦體呈脈狀、透鏡狀、似層狀。礦體產出部位受碳酸鹽巖層位及其層間破碎帶以及巖體接觸破碎帶的控制。容礦巖石主要為矽卡巖、矽卡巖化灰巖。礦石礦物主要為磁鐵礦，次為黃銅礦、藍銅礦，脈石礦物主要為方解石、石英等。由于礦體呈脈狀、透鏡狀、似層狀，所有小鐵礦范圍分布廣泛，并具有不規律性。

3.2　鐵礦分布特征

石村鐵礦區內鐵礦主要為平地開鑿豎井；部分窯口位于山坡階地，開斜井、豎井向山體兩側及縱深開采。石村鐵礦為國營鐵礦，巷道開采，預留較多保護礦柱，其他均為小鐵礦，一般開采規模小，開采范圍較狹窄(見圖1)。

3.3　鐵礦開采及采空現狀

石村鐵礦區線路附近主要有石村鐵礦、朗壘鐵礦、東溝鐵礦、郭明昌鐵礦、成金鐵礦、偉業鐵礦及其它個體小礦井；其余鐵礦距線位較遠(見圖2)。

圖2　礦區分布

石村鐵礦原隸屬林州鋼鐵有限責任公司，1969年建成投產，年生產能力20萬噸；開拓方式為豎井開采，井深120 m，開采高程130～300 m，開采深度80～120 m。開采礦體為燕山期閃長巖與灰巖接觸變質帶大理巖內的矽卡巖型磁鐵礦體，礦體厚8 m左右，開采方式為炮采，回采率30%～40%。石村鐵礦采空區雖界限清晰，但現場調查采空區局部已塌陷，既有石林專用線從礦區通過。由于礦體的分布不規律，造成石村鐵礦為多層采空區，采空區及其巷道呈“之”字形，如穿越采空區線位以橋方式通過，則該橋位于采空區內，其基礎處理形式因采空深度、大小、規模不確定性導致難度加大，且為多層采空區，礦井涌水量70 m3/d，井內積水分布不容易辨別。因此，該繞避方案存在安全隱患，合理性、可實施性均需深入研究。

4勘察方法

針對石村鐵礦采空區的分布特點，主要采取以下方法對采空區進行地質勘察工作。

收集石村鐵采空區地質勘查和勘探資料，礦區規劃資料。

對鐵礦開采范圍內可能形成采空的地段實施井下測量，并有針對性地布置一些物探斷面進行探查，然后結合工程進行鉆探驗證。

主要是通過調查、訪問及必要的物探和鉆探，確定采空區的分布范圍、埋藏深度和采空區特征。

結合已收集的資料現場踏勘，驗證小鐵礦的分布范圍和特征。

查閱工作區區域地形、地質和鐵礦地質資料，收集工作區中相關的有關資料，分析小鐵礦分布及洞口、洞穴分布情況，查閱和了解鐵礦的埋藏深度、分布范圍，開采年代、方式、方法。

走訪當地年長，閱歷豐富的老人、礦工，了解鐵礦的來源；詢問當地小鐵礦的開采歷史和開采、停采年限；了解鐵礦的分布范圍、開采深度、厚度和開采方法；調查主巷道及支巷道的位置、大小、斷面尺寸、支護、坍塌及回填情況；了解采空區巷道沖水、抽水和排水情況。

本次采用了以地質調繪、井下測量、地面物探、鉆探和試驗相結合的綜合勘探方法，基本查明了石村鐵礦的分布， 落實了采空區的范圍、采空區埋藏深度，為進行線路方案選擇提供了依據，對采空區工程處理設計提供了基礎資料和設計參數。

物探工作主要采用高密度電法對小鐵礦采空區進行探測，通過探測目標地質體與周圍介質之間的電阻率與導電性的差異來確定異常。本區介質(圍巖)主要為黃土、閃長巖和灰巖，采空區電性對于圍巖來說為高阻，水對于圍巖來說為低阻，礦井水的電阻率更低。采空區一般呈脈狀、透鏡狀、似層狀展布，采空區的充填物一般為空氣、礦井水、回填礦渣等，其電性有高、有低，取決于采空區充填物的電性特征。一般在采空區充水或潮濕的情況下，表現為低阻；在回填、坍塌、空洞等情況下高阻，這就為本區采用高密度電法探測小鐵礦采空區提供了良好的地球物理前提。

為了驗證探明物探異常區，保證提供的鐵礦采空區的穩定性評價及工程設計參數的準確性，本次在各鐵礦采空區布置一定數量的鉆孔和深鉆孔，鉆孔布置原則為：

①覆蓋層較厚時，布置一定深度的勘探孔；采空區按不同地貌及地質單元布置勘探孔，主要的地質界線，重要的地質構造地段，可能產生突泥突水危害地段及重大物探異常點等應有鉆孔控制。

②采空區為高阻異常，布置一定深度的勘探孔進行勘察與驗證。

③采空區的深孔鉆孔深度應至采空空洞以下8～10 m；遇溶洞、暗河及其他不良地質或可能調坡時，應適當加深。

④通過仔細觀察，詳細記錄孔內沖洗液的增減情況及是否有掉鉆、鉆進速度突然增快的情況，觀察巖心的變化，分析小鐵礦采空區的情況。

完成的主要工作量見表1。

表1　勘察工作量

5勘察實施

首先確定工作重點和工作方法，然后通過討論研究決定分外業、內業兩個階段來逐步實施各項工作。

地質調查應在野外對各種界線和地質點進行核對，對尚未確定的地層界線、地質構造線，對工程有影響和有疑問的采空塌陷等進行重點調查、補充、修改；注意對典型不良地質、構造等現場拍照或錄像，并注明相片具體位置及主要內容，現場填繪1∶2 000詳細工程地質圖。

調查中，要注意對微地貌的劃分，詳細調查地層巖性、地質構造、水文地質、特殊巖土等。

配合相關專業，對線路所經過的鐵礦礦區邊界及采空區范圍進行具體區域工程地質調查，布置工程地質勘測工作。

以搜集資料為主，資料盲區地段輔以必要的物探、深孔鉆探驗證工作。線位經過開采礦區時搜集研究區域地質資料，既有礦區勘查、設計和開采資料，調查采空區既有建筑物的變形情況和地基加固處理經驗，詳細查明采空區分布范圍、空間位置及其穩定性，分析其對鐵路工程影響。

在河南省地礦局井下測量隊、陜西省鐵道部第一勘察院物探分院、湖北楚鵬勘察院的配合下，實測線路附近的洞穴、地表變形(裂縫、塌坑、臺階等)及建筑物變形，完成了井下測量、物探高密度電法、深孔鉆探等勘測工作。

5.1　石村鐵礦

為查明石村鐵礦的采空區分布，定測中針對穿采空區方案到井下采空區情況進行了實測，實測資料表明，DK604+030～DK604+900段為采空區。

5.2　其它小鐵礦

為查明長林高速至石村鐵礦間的采空區分布，為繞避采空區方案提供支撐，經采空調查，并結合成礦地層，針對采空情況進行了物探和鉆探驗證。

5.3　物探普查

物探普查布置了13個斷面，部分物探成果如圖3所示。

圖3　成金及東溝鐵礦采空區物探成果

勘察與驗證：

根據物探成果，在異常區布置14個鉆孔，以驗證采空情況，孔深鉆到完整灰巖或完整閃長巖，鉆探揭示采空為掉鉆或為碎石土，小于2 m，空洞上部為完整巖。

綜上，經過鉆探證實，采空區位于B-B′剖面北側，A-A′與B-B′間無小鐵礦采空區。

6穩定性評價

根據調查、物探、鉆探及井下實測，除石村鐵礦存在大面積采空區，其它鐵礦均為小面積采空區。

6.1　變形破壞邊界確定

根據采空區的形成特點及開采方式、深度、規模等特點，對采空區變形破壞邊界進行計算。

(1)石村鐵礦采空區的變形破壞邊界計算

地下礦體大面積采空后，礦體上部失去支撐，平衡條件被破壞，采空區上方巖體隨之將產生變形。采空區上方的變形，總的過程是自下而上逐漸發展的漏斗狀沉落。

大面積采空引起的地表移動盆地內由于相鄰兩點的下沉和水平移動量各不相等，點與點之間產生了地表相對移動和變形。大量的實際勘察表明，移動盆地的地表變形分為2種移動和3種變形，即地表的下沉、水平移動和傾斜、彎曲、水平變形。地表變形極易引起路基沉降、線路坡度改變，甚至導致路基產生錯臺，從而引起鋼軌彎曲、傾斜、擠壓、斷裂，威脅行車安全。

根據采空變形的相關理論，煤礦采空區影響范圍按照圖4所示的邊界進行計算

L=Hcotδ+hcot

圖4　采空區變形破壞邊界計算原理

土層邊界角按45°考慮，巖層邊界角取58.81°，計算如圖5。

圖5　采空區變形破壞邊界計算(單位：m)

經計算，線路穿越石村鐵礦采空區，采空區影響范圍北側146 m，南側66 m，采空區處理范圍線路北側150 m，南側80 m。

(2)小鐵礦采空區的變形破壞邊界計算

根據《鐵路工程地質手冊》，小鐵礦采空區可按頂板厚度綜合判定其穩定性。

基本穩定區：頂板厚度大于60 m，一般工程不處理，重要工程結合工程的重要性綜合考慮；

可能變形區：頂板厚度30～60 m，重點工程應處理；

可能塌陷區：頂板厚度小于30 m，所有工程均需處理。

同時還根據臨界深度(H0)定量評價采空區頂板及地基的穩定性：

當埋藏深度H

當埋藏深度H0

當埋藏深度H>1.5H0時，頂板及地基穩定。

石村鐵礦區小礦井開采深度在110~140 m，巷道及地基穩定。

土層邊界角按45°考慮，巖層邊界角取58.81°，采空區變形破壞邊界70.5 m；土層邊界角按45°考慮，采空區變形破壞邊界110 m；A-A′剖面距離最近采空區約為145 m，采空區與A-A′剖面間存在35 m的安全廊道。

綜上，線位沿A-A′剖面左右35 m內走行，不受采空區影響。

6.2　鐵礦采空區穩定性評價

石村鐵礦區南部，長林高速北側存在一個寬約70 m的安全廊道，該區域內無采空區分布，鑒于石村鐵礦區最南部采空區為小礦開采，深度小于110 m，線位沿A-A′剖面南北35 m內走行，不受采空區影響(如圖6)。

圖6　石村鐵礦區及采空區工程地質成果

7石村鐵礦方案研究

7.1　穿石村鐵礦采空區加固處理方案研究

石村鐵礦為國營礦，采空區界限清晰，現場調查采空區未塌陷，實測巷道存在塌陷，南側采空部分礦渣回填，既有石林專用線從礦區通過。定測中針對穿采空區方案到井下采空區進行了實測，DK604+030～DK604+900段為采空區。考慮到部分采空區已經有塌方現象，且采空底板高程變化較大，因此全部采用人工加固支頂方案不可行。設計對采空區處理研究了以下兩個方案。

(1)進入采空區加固處理方案

對采厚均勻、底板平緩、巷道完整、巖體穩定地段，考慮人工進入采空區采用漿砌片石支頂；有塌方或有塌落跡象地段、礦渣回填地段采用注漿措施處理。

(2)巷道漿砌封堵及地面壓力注漿處理方案

首先將處理范圍內目前礦山生產正在利用的巷道擇地重建，再將處理范圍內與其他區域連通的巷道進行人工漿砌片石封堵，然后于地面鉆孔采用壓力注漿措施處理。

7.2　繞避石村鐵礦方案研究

對城北村北側繞避鐵礦方案進行了研究，該方案線路自D2K601+000起轉向東南過城北村北側，之后與城北村南側繞避鐵礦方案相接至D1K613+871.62。該方案線路穿城北東溝鐵礦和石村成金鐵礦，鑒于東溝鐵礦開采時間長，地下采空復雜，地面塌陷嚴重，城北村北側繞避鐵礦方案存在重大安全隱患，研究后予以放棄。

隨后對城北村南側繞避鐵礦方案進行了研究，該方案線路自D2K601+000起轉向東南過城北村南側，之后沿擬建的長安高速公路北側行進，上跨林鋼專用線，經東寨、井東坡、南曲陽、屯頭，至方案比較終點D1K613+871.62與穿石村鐵礦方案相接。該方案完全繞避了石村鐵礦區采空區(如圖7)。

圖7　繞避石村鐵礦方案示意

綜上所述，穿石村鐵礦方案雖然線路短、線形好，但采空區處理難度大、費用高、存在較大的工程風險；而繞石村鐵礦方案徹底繞避了采空區，沒有采空和壓礦問題；從工程地質角度，城北村南側繞避鐵礦方案最優。

參考文獻

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[4]徐永明，張戎墾，李國和.大型采空區鐵路地基穩定性分析[J].鐵道勘察，2004(2)

中圖分類號：P64

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0022-06

收稿日期：2015-02-10