阜六线霍邱铁矿段稳定性评价及选线

李 程

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200333)

1 线路概况

1.1 线路位置

拟建阜六线从阜淮线上袁寨车站引出，主要有推荐线路CK(西Ⅱ线)和主要比较线路C1K(西Ⅰ线)两个方案，矿区线路全长约40 km。

线路经过周集、吴集、周油坊、重新集等地的霍邱铁矿园区，霍邱铁矿区线路平面示意见图1。

图1 霍邱铁矿区线路平面示意

1.2 矿区地质

霍邱铁矿位于淮河以南的周集至高塘镇，地处江淮波状平原，地形总体呈现出波浪形，地势有所起伏，地面高程一般在25～100 m，地貌单元主要为岗地和冲积平原相间，并夹有低山丘陵。

矿区太古界震旦系霍邱群周集组(Ar4z)及吴集组(Ar3w)岩浆岩为含矿岩系。

1.3 地质构造

(1)褶皱:区域褶皱表现为基底褶皱和盖层褶皱。基底褶皱构造发生时间大约在25亿年阜平运动。自西向东为:花园倒转背斜、周集倒转向斜、代店倒转背斜。

(2)断层:区域按走向大致归纳为下列四组。

北西或北西西向断层;北东或北北东向断层;近东西向断层;早期断裂发生在基底褶皱同期，相当阜平运动时期，主要发生在矿床中段，断裂导致混合花岗岩贯入充填，走向南西倾向北西，倾角20°左右，且破坏了矿体的连续性。

2 矿区分布及铁矿对线路的影响

2.1 矿区分布及开采情况

霍邱铁矿区南北长32 km，东西宽3～8 km，面积160 km2，已知由大小13个矿床(点)组成，与阜六线西线方案有关的铁矿如下。

(1)李楼铁矿:安徽开发矿业有限公司，位于李楼村南，大型铁矿。2003年开采，6个井口，其中3个主井，已开采。矿体长2.8 km，走向近南北，埋深-52～-862 m，主采矿藏厚约80～90 m，含铁量60%左右。建有大型选矿厂。

一期开采-200 m，2006年前建成，倾向西，倾角65°～73°;二期开采 -680 m 以上，2010年建成，三期-800 m以上，远期;-400 m以上倾向西，倾角65°～73°，-400 ～ -600 m 倾向东，倾角80°～85°。

(2)吴集南段铁矿:安徽大昌矿产品经贸有限公司，大型铁矿，共15个井口，9个主井，已开采，开采范围南北8 km左右，东西宽150～600 m，平均宽300 m，矿体埋深42～402 m，相对高程0～-360 m。分上、中、下3个矿带，以中下2个矿带为主，每个矿带有3个矿体，总体走向330°，倾向南西，局部反倾，受褶皱制约呈“S”形，倾角 30°～70°，以 50°居多。吴集南矿垂直线路走向地质剖面见图2。

图2 吴集南矿垂直线路走向地质剖面

(3)环山公司矿:位于吴集南铁矿西侧，原属安徽大昌矿业公司，2006年建矿，4个井口，1主井1副井2风井，掘进深度百米左右，尚未达到开采深度，预计开采深度在-250 m。

2.2 铁矿开采对铁路线路的影响

根据走访调查线路经过的李楼铁矿、吴集南段铁矿开采区处在正在开采阶段，对线路方案的制定影响极大。

(1)李楼铁矿:现已开采，推荐方案(CK59+800～CK60+500)、比较方案(C1K57+000～C1K61+800)穿过铁矿开采区，矿体距在建高速公路最近处880 m，李楼铁矿矿体距CK线、CⅠK最近处分别为760 m和940 m。

(2)吴集南段铁矿:现已开采，线路方案穿过铁矿勘探开采区，矿井距在建高速公路最近处约1600 m，不存在压覆矿产资源和不安全隐患。

(3)环山公司矿:建矿阶段，4个井口，尚未达到开采深度。推荐方案(CK62+100～CK66+200)、比较方案(C1K63+000～C1K65+600)穿过铁矿勘探开采区，预计开采深-250 m。矿体距在建高速公路最近处780 m，距CK、C1K最近处分别为830 m和650 m。

线路方案距吴集南段铁矿段可能塌陷、变形区超过400 m，影响不大。

线路方案经过的李楼、环山铁矿开采区对线路方案的制定影响较大。

3 开采方法及可能塌陷区分布

李楼、环山铁矿均采用竖井开采，设主井、副井和风井，沿走向采用分段崩落式开采，尾矿回填，天然岩脉做保安矿柱。天然顶板，工作面鼓风，大排量水泵抽排水。

经济上比较合适的办法是空场和崩落法。如果使用崩落法开采，将会使地表形成大面积采空塌陷。采空塌陷盆地的形成主要受以下几方面的影响:开采层空间的分布、开采深度、厚度、倾角、松散层厚度、断层构造、开采方式等等。开采深度大，地表移动持续时间长，地表破坏的强度较小;矿层开采厚度大，地表破坏的强度大。

根据各铁矿矿层的分布特点对区域内因铁矿开采矿石可能产生塌陷、变形进行计算，原省国土资源厅提供的铁矿灾害评价文件里已圈定了矿区可能塌陷区的分布范围(图1)。

阜六铁路线路方案霍邱段沿高速公路两侧行进，初测阶段对铁矿开采影响线路的部分收集铁矿的详勘资料，实地测量既有矿井，分析其变形机理，划分了可能塌陷区、可能变形区、基本稳定区、稳定区。

3.1 李楼铁矿地表错动范围

李楼铁矿根据岩石移动角65°及70°分别进行计算得出结论，地表塌陷范围在设计东矿井、西矿井之间，既有6个井位东侧300 m，西侧300～600 m，并设置地表错动范围观测线。

3.2 吴集南铁矿可能塌陷区

霍邱县吴集铁矿(南段)矿层在空间的展布具有埋藏深，厚度大，属于埋深大、覆盖厚的矿床。矿体一般坚硬完整，裂隙不发育，稳固性较好。局部受构造作用影响，稳固比较差。矿体底板岩石裂隙不发育，岩石强度高，其稳固性较好。据《安徽大昌矿产品经贸有限公司吴集铁矿采选设计方案》，按照矿床埋深、产状，采用崩落法开采，岩石力学错动角按65°，松散层错动角按45°，一期工程开采至-400 m水平时，可能形成的地表错动影响范围约为1.80 km2，地表错动影响范围位于吴集街道一带，距离高速公路、铁路线路方案1 km以上，对铁路线路无影响。

4 采空区稳定性评价

4.1 采空区变形破坏边界的计算

根据采空变形的相关理论，对于急倾铁矿采空区，其影响范围按照图3所示边界进行计算，计算式如下

图3 采空区变形破坏影响范围

根据我国某些煤矿移动盆地有关数值表，参照经验取值如下:第四系移动角φ取45°，岩层移动角取65°，对B—B'地质断面采空区边界值计算如下:L=H ctan65°+h ctan45°

根据吴集南矿地质断面计算后L为442 m，即采空区以外影响范围近440 m。

对李楼矿、环山矿采空区地质断面分别进行计算，计算值L分别为400 m和310 m。

4.2 最大沉降深度的计算

根据国内推荐，首次充分采动情况下的最大下沉值计算式(非水平矿层时)

η0=q0h cosα

式中 h——矿层的法线厚度，m;

α——矿层的倾角，(°);

q0——充分采动情况下的下沉系数。

根据本线铁矿采空的特点，以全面陷落(重复采动)下沉降系数参考数取经验值，q0值取为0.50，采空厚度按 80 m考虑，倾角 70°，计算最大下沉值为13.7 m。

4.3 下沉时间与采掘深度的关系

国内外相关文献介绍，移动盆地的下沉时间与开掘深度有关。根据表1介绍，一般情况下，停止开采一段时间后，沉降会终止，也就是说这时候会处于相对稳定的平衡状态，在平衡未被重新打破时，应该是比较安全的。

表1 移动盆地的下沉时间与开掘深度的关系

5 稳定性分区

根据收集到的矿区详勘地质剖面(1∶1 000)进行计算，铁矿开采区为可能塌陷区，根据矿体勘探剖面投影划定(图4)。岩石、松散层地表移动带为可能变形区，按岩石移动角65°、松散层移动角45°计算;铁矿尾矿库、采选区为基本稳定区;不受采矿影响的铁矿勘探开采区为稳定区。

图4 李楼矿区塌陷、变形范围分区(单位:m)

6 选线建议

(1)各方案应绕避铁矿可能塌陷区、可能变形区。

(2)推荐采用西Ⅱ方案(高速公路东侧)，线路短，减少两次跨既有高速公路工程。

(3)线路方案在李楼矿、吴集南段矿、环山矿段落临近可能变形区，(西Ⅱ)线路方案距高速公路距离应在400 m以内。

(4)吴集南段铁矿、李楼铁矿、环山铁矿段线路工程应采用以浅挖低填方式，避免采用大桥、高路堤、深路堑。

(5)车站须绕避李楼铁矿、吴集南段铁矿、环山铁矿可能塌陷、变形段落。

［1］ 安徽开发矿业有限公司.李楼铁矿的初步设计［Z］.中冶京诚工程设计有限公司，2006.

［2］ 安徽大昌矿产品经贸有限公司.吴集南铁矿的设计资料［Z］.邯郸:邯郸矿冶工程设计有限公司，2006.

［3］ 安徽大昌矿产品经贸有限公司.吴集南矿地灾评价报告［R］.合肥:安徽省地质环境监测总站，2006.

［4］ 霍邱环山矿业有限公司.环山铁矿地质勘察报告［R］.合肥:安徽省地质矿产局313地质队，2005.

［5］ 安徽省地质调查院.阜阳至六安高速公路沿线矿产资源分布及“压覆矿产资源”调查评估报告［R］.安徽省地质调查院，2003.

［6］ 安徽省第二水文地质工程地质大队.阜阳至六安高速公路地质灾害危险性评估报告［R］.合肥:安徽省第二水文地质工程地质大队，2003.