王九一

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(qū)及采空區(qū)工程地質(zhì)選線研究

王九一

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(guò)綜合勘察方法，查明礦區(qū)界線范圍，為繞避或壓礦賠付準(zhǔn)確評(píng)估做好基礎(chǔ)；同時(shí)，查明采空區(qū)界線范圍，為繞避或進(jìn)行可靠治理防護(hù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，最終確定線路繞避鐵礦方案。

關(guān)鍵詞工程地質(zhì)方案繞避鐵礦區(qū)采空區(qū)

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(guò)林州盆地、太行山山前丘陵，地形起伏不大，其相對(duì)高差為5~30 m，線路在此設(shè)站后向東行進(jìn)必須經(jīng)過(guò)石村鐵礦區(qū)。

線路所經(jīng)地區(qū)屬溫暖帶亞濕潤(rùn)區(qū)，具季風(fēng)大陸性氣候特征，四季分明，冬長(zhǎng)夏短。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱，雨量集中，秋季涼爽濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥，雨雪偏少。按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬寒冷地區(qū)。

根據(jù)國(guó)家地震局1∶400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，地震烈度Ⅶ度，地震動(dòng)反映譜特征周期0.40 s。

2區(qū)域地質(zhì)概述

2.1　地層巖性

地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)松散堆積、奧陶系碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云巖)及燕山期侵入巖(閃長(zhǎng)巖)，礦體為燕山期閃長(zhǎng)巖與灰?guī)r接觸變質(zhì)帶大理巖內(nèi)的矽卡巖型磁鐵礦體，礦體厚8 m左右。

據(jù)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(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、粗角礫土；第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(Q3dl+pl)粉質(zhì)黏土、粗圓礫土；第四系中更新統(tǒng)洪積層(Q2pl)粉質(zhì)黏土、中砂、粗圓礫土、粗角礫土、細(xì)角礫土；第四系下更新統(tǒng)沖積層(Q1al)黏土；燕山期閃長(zhǎng)巖；古生界奧陶系中統(tǒng)統(tǒng)下馬家溝組灰?guī)r、大理巖。

2.2　地質(zhì)構(gòu)造

石村鐵礦地處太行山脈中山區(qū)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(cè)斷裂。石村鐵礦區(qū)域內(nèi)無(wú)地質(zhì)構(gòu)造，燕山期閃長(zhǎng)巖侵入灰?guī)r形成不整合接觸面，巖質(zhì)較硬。

2.3　水文地質(zhì)特征

(1)地表水

地表水系不發(fā)育，無(wú)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(jié)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(nóng)田灌溉用水為主，石村河水質(zhì)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(nóng)田灌溉用水主要引自紅旗渠二干渠，水質(zhì)清澈。

(2)地下水

根據(jù)地下水賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，場(chǎng)區(qū)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(fā)育。

松散巖類孔隙水：分布于第四系覆蓋層中，以滲流、蒸發(fā)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?guī)r、大理巖中，場(chǎng)區(qū)巖溶不甚發(fā)育。該類地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，動(dòng)態(tài)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(zhǎng)巖基巖裂隙中，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，動(dòng)態(tài)變化大。

3鐵礦地質(zhì)特征及采空現(xiàn)狀

3.1　鐵礦地質(zhì)特征

鐵礦礦體是產(chǎn)于閃長(zhǎng)巖圍巖接觸帶的矽卡巖和矽卡巖化灰?guī)r中的大型礦床，礦體呈脈狀、透鏡狀、似層狀。礦體產(chǎn)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?guī)r。礦石礦物主要為磁鐵礦，次為黃銅礦、藍(lán)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(guī)律性。

3.2　鐵礦分布特征

石村鐵礦區(qū)內(nèi)鐵礦主要為平地開(kāi)鑿豎井；部分窯口位于山坡階地，開(kāi)斜井、豎井向山體兩側(cè)及縱深開(kāi)采。石村鐵礦為國(guó)營(yíng)鐵礦，巷道開(kāi)采，預(yù)留較多保護(hù)礦柱，其他均為小鐵礦，一般開(kāi)采規(guī)模小，開(kāi)采范圍較狹窄(見(jiàn)圖1)。

3.3　鐵礦開(kāi)采及采空現(xiàn)狀

石村鐵礦區(qū)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(yè)鐵礦及其它個(gè)體小礦井；其余鐵礦距線位較遠(yuǎn)(見(jiàn)圖2)。

圖2　礦區(qū)分布

石村鐵礦原隸屬林州鋼鐵有限責(zé)任公司，1969年建成投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力20萬(wàn)噸；開(kāi)拓方式為豎井開(kāi)采，井深120 m，開(kāi)采高程130～300 m，開(kāi)采深度80～120 m。開(kāi)采礦體為燕山期閃長(zhǎng)巖與灰?guī)r接觸變質(zhì)帶大理巖內(nèi)的矽卡巖型磁鐵礦體，礦體厚8 m左右，開(kāi)采方式為炮采，回采率30%～40%。石村鐵礦采空區(qū)雖界限清晰，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采空區(qū)局部已塌陷，既有石林專用線從礦區(qū)通過(guò)。由于礦體的分布不規(guī)律，造成石村鐵礦為多層采空區(qū)，采空區(qū)及其巷道呈“之”字形，如穿越采空區(qū)線位以橋方式通過(guò)，則該橋位于采空區(qū)內(nèi)，其基礎(chǔ)處理形式因采空深度、大小、規(guī)模不確定性導(dǎo)致難度加大，且為多層采空區(qū)，礦井涌水量70 m3/d，井內(nèi)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(shí)施性均需深入研究。

4勘察方法

針對(duì)石村鐵礦采空區(qū)的分布特點(diǎn)，主要采取以下方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察工作。

收集石村鐵采空區(qū)地質(zhì)勘查和勘探資料，礦區(qū)規(guī)劃資料。

對(duì)鐵礦開(kāi)采范圍內(nèi)可能形成采空的地段實(shí)施井下測(cè)量，并有針對(duì)性地布置一些物探斷面進(jìn)行探查，然后結(jié)合工程進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

主要是通過(guò)調(diào)查、訪問(wèn)及必要的物探和鉆探，確定采空區(qū)的分布范圍、埋藏深度和采空區(qū)特征。

結(jié)合已收集的資料現(xiàn)場(chǎng)踏勘，驗(yàn)證小鐵礦的分布范圍和特征。

查閱工作區(qū)區(qū)域地形、地質(zhì)和鐵礦地質(zhì)資料，收集工作區(qū)中相關(guān)的有關(guān)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(kāi)采年代、方式、方法。

走訪當(dāng)?shù)啬觊L(zhǎng)，閱歷豐富的老人、礦工，了解鐵礦的來(lái)源；詢問(wèn)當(dāng)?shù)匦¤F礦的開(kāi)采歷史和開(kāi)采、停采年限；了解鐵礦的分布范圍、開(kāi)采深度、厚度和開(kāi)采方法；調(diào)查主巷道及支巷道的位置、大小、斷面尺寸、支護(hù)、坍塌及回填情況；了解采空區(qū)巷道沖水、抽水和排水情況。

本次采用了以地質(zhì)調(diào)繪、井下測(cè)量、地面物探、鉆探和試驗(yàn)相結(jié)合的綜合勘探方法，基本查明了石村鐵礦的分布， 落實(shí)了采空區(qū)的范圍、采空區(qū)埋藏深度，為進(jìn)行線路方案選擇提供了依據(jù)，對(duì)采空區(qū)工程處理設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)資料和設(shè)計(jì)參數(shù)。

物探工作主要采用高密度電法對(duì)小鐵礦采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體與周圍介質(zhì)之間的電阻率與導(dǎo)電性的差異來(lái)確定異常。本區(qū)介質(zhì)(圍巖)主要為黃土、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r，采空區(qū)電性對(duì)于圍巖來(lái)說(shuō)為高阻，水對(duì)于圍巖來(lái)說(shuō)為低阻，礦井水的電阻率更低。采空區(qū)一般呈脈狀、透鏡狀、似層狀展布，采空區(qū)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(qū)充填物的電性特征。一般在采空區(qū)充水或潮濕的情況下，表現(xiàn)為低阻；在回填、坍塌、空洞等情況下高阻，這就為本區(qū)采用高密度電法探測(cè)小鐵礦采空區(qū)提供了良好的地球物理前提。

為了驗(yàn)證探明物探異常區(qū)，保證提供的鐵礦采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及工程設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，本次在各鐵礦采空區(qū)布置一定數(shù)量的鉆孔和深鉆孔，鉆孔布置原則為：

①覆蓋層較厚時(shí)，布置一定深度的勘探孔；采空區(qū)按不同地貌及地質(zhì)單元布置勘探孔，主要的地質(zhì)界線，重要的地質(zhì)構(gòu)造地段，可能產(chǎn)生突泥突水危害地段及重大物探異常點(diǎn)等應(yīng)有鉆孔控制。

②采空區(qū)為高阻異常，布置一定深度的勘探孔進(jìn)行勘察與驗(yàn)證。

③采空區(qū)的深孔鉆孔深度應(yīng)至采空空洞以下8～10 m；遇溶洞、暗河及其他不良地質(zhì)或可能調(diào)坡時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加深。

④通過(guò)仔細(xì)觀察，詳細(xì)記錄孔內(nèi)沖洗液的增減情況及是否有掉鉆、鉆進(jìn)速度突然增快的情況，觀察巖心的變化，分析小鐵礦采空區(qū)的情況。

完成的主要工作量見(jiàn)表1。

表1　勘察工作量

5勘察實(shí)施

首先確定工作重點(diǎn)和工作方法，然后通過(guò)討論研究決定分外業(yè)、內(nèi)業(yè)兩個(gè)階段來(lái)逐步實(shí)施各項(xiàng)工作。

地質(zhì)調(diào)查應(yīng)在野外對(duì)各種界線和地質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行核對(duì)，對(duì)尚未確定的地層界線、地質(zhì)構(gòu)造線，對(duì)工程有影響和有疑問(wèn)的采空塌陷等進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查、補(bǔ)充、修改；注意對(duì)典型不良地質(zhì)、構(gòu)造等現(xiàn)場(chǎng)拍照或錄像，并注明相片具體位置及主要內(nèi)容，現(xiàn)場(chǎng)填繪1∶2 000詳細(xì)工程地質(zhì)圖。

調(diào)查中，要注意對(duì)微地貌的劃分，詳細(xì)調(diào)查地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、特殊巖土等。

配合相關(guān)專業(yè)，對(duì)線路所經(jīng)過(guò)的鐵礦礦區(qū)邊界及采空區(qū)范圍進(jìn)行具體區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查，布置工程地質(zhì)勘測(cè)工作。

以搜集資料為主，資料盲區(qū)地段輔以必要的物探、深孔鉆探驗(yàn)證工作。線位經(jīng)過(guò)開(kāi)采礦區(qū)時(shí)搜集研究區(qū)域地質(zhì)資料，既有礦區(qū)勘查、設(shè)計(jì)和開(kāi)采資料，調(diào)查采空區(qū)既有建筑物的變形情況和地基加固處理經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)查明采空區(qū)分布范圍、空間位置及其穩(wěn)定性，分析其對(duì)鐵路工程影響。

在河南省地礦局井下測(cè)量隊(duì)、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(shí)測(cè)線路附近的洞穴、地表變形(裂縫、塌坑、臺(tái)階等)及建筑物變形，完成了井下測(cè)量、物探高密度電法、深孔鉆探等勘測(cè)工作。

5.1　石村鐵礦

為查明石村鐵礦的采空區(qū)分布，定測(cè)中針對(duì)穿采空區(qū)方案到井下采空區(qū)情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)資料表明，DK604+030～DK604+900段為采空區(qū)。

5.2　其它小鐵礦

為查明長(zhǎng)林高速至石村鐵礦間的采空區(qū)分布，為繞避采空區(qū)方案提供支撐，經(jīng)采空調(diào)查，并結(jié)合成礦地層，針對(duì)采空情況進(jìn)行了物探和鉆探驗(yàn)證。

5.3　物探普查

物探普查布置了13個(gè)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(qū)物探成果

勘察與驗(yàn)證：

根據(jù)物探成果，在異常區(qū)布置14個(gè)鉆孔，以驗(yàn)證采空情況，孔深鉆到完整灰?guī)r或完整閃長(zhǎng)巖，鉆探揭示采空為掉鉆或?yàn)樗槭粒∮? m，空洞上部為完整巖。

綜上，經(jīng)過(guò)鉆探證實(shí)，采空區(qū)位于B-B′剖面北側(cè)，A-A′與B-B′間無(wú)小鐵礦采空區(qū)。

6穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)調(diào)查、物探、鉆探及井下實(shí)測(cè)，除石村鐵礦存在大面積采空區(qū)，其它鐵礦均為小面積采空區(qū)。

6.1　變形破壞邊界確定

根據(jù)采空區(qū)的形成特點(diǎn)及開(kāi)采方式、深度、規(guī)模等特點(diǎn)，對(duì)采空區(qū)變形破壞邊界進(jìn)行計(jì)算。

(1)石村鐵礦采空區(qū)的變形破壞邊界計(jì)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(qū)上方巖體隨之將產(chǎn)生變形。采空區(qū)上方的變形，總的過(guò)程是自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落。

大面積采空引起的地表移動(dòng)盆地內(nèi)由于相鄰兩點(diǎn)的下沉和水平移動(dòng)量各不相等，點(diǎn)與點(diǎn)之間產(chǎn)生了地表相對(duì)移動(dòng)和變形。大量的實(shí)際勘察表明，移動(dòng)盆地的地表變形分為2種移動(dòng)和3種變形，即地表的下沉、水平移動(dòng)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(dǎo)致路基產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，從而引起鋼軌彎曲、傾斜、擠壓、斷裂，威脅行車安全。

根據(jù)采空變形的相關(guān)理論，煤礦采空區(qū)影響范圍按照?qǐng)D4所示的邊界進(jìn)行計(jì)算

L=Hcotδ+hcot

圖4　采空區(qū)變形破壞邊界計(jì)算原理

土層邊界角按45°考慮，巖層邊界角取58.81°，計(jì)算如圖5。

圖5　采空區(qū)變形破壞邊界計(jì)算(單位：m)

經(jīng)計(jì)算，線路穿越石村鐵礦采空區(qū)，采空區(qū)影響范圍北側(cè)146 m，南側(cè)66 m，采空區(qū)處理范圍線路北側(cè)150 m，南側(cè)80 m。

(2)小鐵礦采空區(qū)的變形破壞邊界計(jì)算

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》，小鐵礦采空區(qū)可按頂板厚度綜合判定其穩(wěn)定性。

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

可能變形區(qū)：頂板厚度30～60 m，重點(diǎn)工程應(yīng)處理；

可能塌陷區(qū)：頂板厚度小于30 m，所有工程均需處理。

同時(shí)還根據(jù)臨界深度(H0)定量評(píng)價(jià)采空區(qū)頂板及地基的穩(wěn)定性：

當(dāng)埋藏深度H

當(dāng)埋藏深度H0

當(dāng)埋藏深度H>1.5H0時(shí)，頂板及地基穩(wěn)定。

石村鐵礦區(qū)小礦井開(kāi)采深度在110~140 m，巷道及地基穩(wěn)定。

土層邊界角按45°考慮，巖層邊界角取58.81°，采空區(qū)變形破壞邊界70.5 m；土層邊界角按45°考慮，采空區(qū)變形破壞邊界110 m；A-A′剖面距離最近采空區(qū)約為145 m，采空區(qū)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(nèi)走行，不受采空區(qū)影響。

6.2　鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

石村鐵礦區(qū)南部，長(zhǎng)林高速北側(cè)存在一個(gè)寬約70 m的安全廊道，該區(qū)域內(nèi)無(wú)采空區(qū)分布，鑒于石村鐵礦區(qū)最南部采空區(qū)為小礦開(kāi)采，深度小于110 m，線位沿A-A′剖面南北35 m內(nèi)走行，不受采空區(qū)影響(如圖6)。

圖6　石村鐵礦區(qū)及采空區(qū)工程地質(zhì)成果

7石村鐵礦方案研究

7.1　穿石村鐵礦采空區(qū)加固處理方案研究

石村鐵礦為國(guó)營(yíng)礦，采空區(qū)界限清晰，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采空區(qū)未塌陷，實(shí)測(cè)巷道存在塌陷，南側(cè)采空部分礦渣回填，既有石林專用線從礦區(qū)通過(guò)。定測(cè)中針對(duì)穿采空區(qū)方案到井下采空區(qū)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，DK604+030～DK604+900段為采空區(qū)?？紤]到部分采空區(qū)已經(jīng)有塌方現(xiàn)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(shè)計(jì)對(duì)采空區(qū)處理研究了以下兩個(gè)方案。

(1)進(jìn)入采空區(qū)加固處理方案

對(duì)采厚均勻、底板平緩、巷道完整、巖體穩(wěn)定地段，考慮人工進(jìn)入采空區(qū)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(nèi)目前礦山生產(chǎn)正在利用的巷道擇地重建，再將處理范圍內(nèi)與其他區(qū)域連通的巷道進(jìn)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(duì)城北村北側(cè)繞避鐵礦方案進(jìn)行了研究，該方案線路自D2K601+000起轉(zhuǎn)向東南過(guò)城北村北側(cè)，之后與城北村南側(cè)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(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，地下采空復(fù)雜，地面塌陷嚴(yán)重，城北村北側(cè)繞避鐵礦方案存在重大安全隱患，研究后予以放棄。

隨后對(duì)城北村南側(cè)繞避鐵礦方案進(jìn)行了研究，該方案線路自D2K601+000起轉(zhuǎn)向東南過(guò)城北村南側(cè)，之后沿?cái)M建的長(zhǎng)安高速公路北側(cè)行進(jìn)，上跨林鋼專用線，經(jīng)東寨、井東坡、南曲陽(yáng)、屯頭，至方案比較終點(diǎn)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(qū)采空區(qū)(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(qū)處理難度大、費(fèi)用高、存在較大的工程風(fēng)險(xiǎn)；而繞石村鐵礦方案徹底繞避了采空區(qū)，沒(méi)有采空和壓礦問(wèn)題；從工程地質(zhì)角度，城北村南側(cè)繞避鐵礦方案最優(yōu)。

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中圖分類號(hào)：P64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0022-06

收稿日期：2015-02-10