石村铁矿区及采空区工程地质选线研究

2015-03-17王九一

铁道勘察 2015年3期

关键词：铁矿物探采空区

王九一

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

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

WANG Jiuyi

石村铁矿区及采空区工程地质选线研究

王九一

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

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

WANG Jiuyi

摘要通过综合勘察方法，查明矿区界线范围，为绕避或压矿赔付准确评估做好基础；同时，查明采空区界线范围，为绕避或进行可靠治理防护提供设计依据，最终确定线路绕避铁矿方案。

关键词工程地质方案绕避铁矿区采空区

1自然地理概况

山西中南部铁路通道洪洞至汤阴东段，线路通过林州盆地、太行山山前丘陵，地形起伏不大，其相对高差为5~30 m，线路在此设站后向东行进必须经过石村铁矿区。

线路所经地区属温暖带亚湿润区，具季风大陆性气候特征，四季分明，冬长夏短。春季干燥多风，夏季炎热，雨量集中，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥，雨雪偏少。按对铁路工程影响的气候分区，属寒冷地区。

根据国家地震局1∶400万《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，地震动峰值加速度0.15 g，地震烈度Ⅶ度，地震动反映谱特征周期0.40 s。

2区域地质概述

2.1　地层岩性

地层岩性主要为第四系全新统松散堆积、奥陶系碳酸盐岩(灰岩、白云岩)及燕山期侵入岩(闪长岩)，矿体为燕山期闪长岩与灰岩接触变质带大理岩内的矽卡岩型磁铁矿体，矿体厚8 m左右。

据勘察揭露显示，地层按其成因分类，主要为新生界第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)粉质黏土、粗圆砾土、粗角砾土；第四系上更新统坡洪积层(Q3dl+pl)粉质黏土、粗圆砾土；第四系中更新统洪积层(Q2pl)粉质黏土、中砂、粗圆砾土、粗角砾土、细角砾土；第四系下更新统冲积层(Q1al)黏土；燕山期闪长岩；古生界奥陶系中统统下马家沟组灰岩、大理岩。

2.2　地质构造

石村铁矿地处太行山脉中山区与林州盆地交界，太行山块隆与林州断陷交界，靠近太行山交界处为任村-西平罗大断裂，任村-西平罗大断裂为太行山东麓断裂带西侧断裂。石村铁矿区域内无地质构造，燕山期闪长岩侵入灰岩形成不整合接触面，岩质较硬。

2.3　水文地质特征

(1)地表水

地表水系不发育，无常年性地表水体，地表水主要为大气降水形成的地表面流，水量受季节性影响变化较大，其自然排泄畅通，勘察期间地表水主要以石村河矿坑排水和农田灌溉用水为主，石村河水质浑浊，含砂量较大，水量变化较大，受大气降水及矿坑排水影响。农田灌溉用水主要引自红旗渠二干渠，水质清澈。

(2)地下水

根据地下水赋存条件、水理性质及水力特征，场区地下水主要为松散岩类孔隙水与碳酸盐类裂隙岩溶水，地下水不发育。

松散岩类孔隙水：分布于第四系覆盖层中，以渗流、蒸发形式排泄。

勘探期间地下水水位埋深1.1～18.1 m。

碳酸盐类裂隙岩溶水：存在于奥陶系灰岩、大理岩中，场区岩溶不甚发育。该类地下水主要补给来源为大气降水，动态变化大，埋深约45.00～55.00 m，地下水类型为HCO3·SO4-Ca。

侵入岩基岩裂隙水类型：主要分布于燕山期闪长岩基岩裂隙中，主要补给来源为大气降水，动态变化大。

3铁矿地质特征及采空现状

3.1　铁矿地质特征

铁矿矿体是产于闪长岩围岩接触带的矽卡岩和矽卡岩化灰岩中的大型矿床，矿体呈脉状、透镜状、似层状。矿体产出部位受碳酸盐岩层位及其层间破碎带以及岩体接触破碎带的控制。容矿岩石主要为矽卡岩、矽卡岩化灰岩。矿石矿物主要为磁铁矿，次为黄铜矿、蓝铜矿，脉石矿物主要为方解石、石英等。由于矿体呈脉状、透镜状、似层状，所有小铁矿范围分布广泛，并具有不规律性。

3.2　铁矿分布特征

石村铁矿区内铁矿主要为平地开凿竖井；部分窑口位于山坡阶地，开斜井、竖井向山体两侧及纵深开采。石村铁矿为国营铁矿，巷道开采，预留较多保护矿柱，其他均为小铁矿，一般开采规模小，开采范围较狭窄(见图1)。

3.3　铁矿开采及采空现状

石村铁矿区线路附近主要有石村铁矿、朗垒铁矿、东沟铁矿、郭明昌铁矿、成金铁矿、伟业铁矿及其它个体小矿井；其余铁矿距线位较远(见图2)。

图2　矿区分布

石村铁矿原隶属林州钢铁有限责任公司，1969年建成投产，年生产能力20万吨；开拓方式为竖井开采，井深120 m，开采高程130～300 m，开采深度80～120 m。开采矿体为燕山期闪长岩与灰岩接触变质带大理岩内的矽卡岩型磁铁矿体，矿体厚8 m左右，开采方式为炮采，回采率30%～40%。石村铁矿采空区虽界限清晰，但现场调查采空区局部已塌陷，既有石林专用线从矿区通过。由于矿体的分布不规律，造成石村铁矿为多层采空区，采空区及其巷道呈“之”字形，如穿越采空区线位以桥方式通过，则该桥位于采空区内，其基础处理形式因采空深度、大小、规模不确定性导致难度加大，且为多层采空区，矿井涌水量70 m3/d，井内积水分布不容易辨别。因此，该绕避方案存在安全隐患，合理性、可实施性均需深入研究。

4勘察方法

针对石村铁矿采空区的分布特点，主要采取以下方法对采空区进行地质勘察工作。

收集石村铁采空区地质勘查和勘探资料，矿区规划资料。

对铁矿开采范围内可能形成采空的地段实施井下测量，并有针对性地布置一些物探断面进行探查，然后结合工程进行钻探验证。

主要是通过调查、访问及必要的物探和钻探，确定采空区的分布范围、埋藏深度和采空区特征。

结合已收集的资料现场踏勘，验证小铁矿的分布范围和特征。

查阅工作区区域地形、地质和铁矿地质资料，收集工作区中相关的有关资料，分析小铁矿分布及洞口、洞穴分布情况，查阅和了解铁矿的埋藏深度、分布范围，开采年代、方式、方法。

走访当地年长，阅历丰富的老人、矿工，了解铁矿的来源；询问当地小铁矿的开采历史和开采、停采年限；了解铁矿的分布范围、开采深度、厚度和开采方法；调查主巷道及支巷道的位置、大小、断面尺寸、支护、坍塌及回填情况；了解采空区巷道冲水、抽水和排水情况。

本次采用了以地质调绘、井下测量、地面物探、钻探和试验相结合的综合勘探方法，基本查明了石村铁矿的分布，落实了采空区的范围、采空区埋藏深度，为进行线路方案选择提供了依据，对采空区工程处理设计提供了基础资料和设计参数。

物探工作主要采用高密度电法对小铁矿采空区进行探测，通过探测目标地质体与周围介质之间的电阻率与导电性的差异来确定异常。本区介质(围岩)主要为黄土、闪长岩和灰岩，采空区电性对于围岩来说为高阻，水对于围岩来说为低阻，矿井水的电阻率更低。采空区一般呈脉状、透镜状、似层状展布，采空区的充填物一般为空气、矿井水、回填矿渣等，其电性有高、有低，取决于采空区充填物的电性特征。一般在采空区充水或潮湿的情况下，表现为低阻；在回填、坍塌、空洞等情况下高阻，这就为本区采用高密度电法探测小铁矿采空区提供了良好的地球物理前提。

为了验证探明物探异常区，保证提供的铁矿采空区的稳定性评价及工程设计参数的准确性，本次在各铁矿采空区布置一定数量的钻孔和深钻孔，钻孔布置原则为：

①覆盖层较厚时，布置一定深度的勘探孔；采空区按不同地貌及地质单元布置勘探孔，主要的地质界线，重要的地质构造地段，可能产生突泥突水危害地段及重大物探异常点等应有钻孔控制。

②采空区为高阻异常，布置一定深度的勘探孔进行勘察与验证。

③采空区的深孔钻孔深度应至采空空洞以下8～10 m；遇溶洞、暗河及其他不良地质或可能调坡时，应适当加深。

④通过仔细观察，详细记录孔内冲洗液的增减情况及是否有掉钻、钻进速度突然增快的情况，观察岩心的变化，分析小铁矿采空区的情况。

完成的主要工作量见表1。

表1　勘察工作量

5勘察实施

首先确定工作重点和工作方法，然后通过讨论研究决定分外业、内业两个阶段来逐步实施各项工作。

地质调查应在野外对各种界线和地质点进行核对，对尚未确定的地层界线、地质构造线，对工程有影响和有疑问的采空塌陷等进行重点调查、补充、修改；注意对典型不良地质、构造等现场拍照或录像，并注明相片具体位置及主要内容，现场填绘1∶2 000详细工程地质图。

调查中，要注意对微地貌的划分，详细调查地层岩性、地质构造、水文地质、特殊岩土等。

配合相关专业，对线路所经过的铁矿矿区边界及采空区范围进行具体区域工程地质调查，布置工程地质勘测工作。

以搜集资料为主，资料盲区地段辅以必要的物探、深孔钻探验证工作。线位经过开采矿区时搜集研究区域地质资料，既有矿区勘查、设计和开采资料，调查采空区既有建筑物的变形情况和地基加固处理经验，详细查明采空区分布范围、空间位置及其稳定性，分析其对铁路工程影响。

在河南省地矿局井下测量队、陕西省铁道部第一勘察院物探分院、湖北楚鹏勘察院的配合下，实测线路附近的洞穴、地表变形(裂缝、塌坑、台阶等)及建筑物变形，完成了井下测量、物探高密度电法、深孔钻探等勘测工作。

5.1　石村铁矿

为查明石村铁矿的采空区分布，定测中针对穿采空区方案到井下采空区情况进行了实测，实测资料表明，DK604+030～DK604+900段为采空区。

5.2　其它小铁矿

为查明长林高速至石村铁矿间的采空区分布，为绕避采空区方案提供支撑，经采空调查，并结合成矿地层，针对采空情况进行了物探和钻探验证。

5.3　物探普查

物探普查布置了13个断面，部分物探成果如图3所示。

图3　成金及东沟铁矿采空区物探成果

勘察与验证：

根据物探成果，在异常区布置14个钻孔，以验证采空情况，孔深钻到完整灰岩或完整闪长岩，钻探揭示采空为掉钻或为碎石土，小于2 m，空洞上部为完整岩。

综上，经过钻探证实，采空区位于B-B′剖面北侧，A-A′与B-B′间无小铁矿采空区。

6稳定性评价

根据调查、物探、钻探及井下实测，除石村铁矿存在大面积采空区，其它铁矿均为小面积采空区。

6.1　变形破坏边界确定

根据采空区的形成特点及开采方式、深度、规模等特点，对采空区变形破坏边界进行计算。

(1)石村铁矿采空区的变形破坏边界计算

地下矿体大面积采空后，矿体上部失去支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生变形。采空区上方的变形，总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉落。

大面积采空引起的地表移动盆地内由于相邻两点的下沉和水平移动量各不相等，点与点之间产生了地表相对移动和变形。大量的实际勘察表明，移动盆地的地表变形分为2种移动和3种变形，即地表的下沉、水平移动和倾斜、弯曲、水平变形。地表变形极易引起路基沉降、线路坡度改变，甚至导致路基产生错台，从而引起钢轨弯曲、倾斜、挤压、断裂，威胁行车安全。

根据采空变形的相关理论，煤矿采空区影响范围按照图4所示的边界进行计算

L=Hcotδ+hcot

图4　采空区变形破坏边界计算原理

土层边界角按45°考虑，岩层边界角取58.81°，计算如图5。

图5　采空区变形破坏边界计算(单位：m)

经计算，线路穿越石村铁矿采空区，采空区影响范围北侧146 m，南侧66 m，采空区处理范围线路北侧150 m，南侧80 m。

(2)小铁矿采空区的变形破坏边界计算

根据《铁路工程地质手册》，小铁矿采空区可按顶板厚度综合判定其稳定性。

基本稳定区：顶板厚度大于60 m，一般工程不处理，重要工程结合工程的重要性综合考虑；

可能变形区：顶板厚度30～60 m，重点工程应处理；

可能塌陷区：顶板厚度小于30 m，所有工程均需处理。

同时还根据临界深度(H0)定量评价采空区顶板及地基的稳定性：

当埋藏深度H

当埋藏深度H0

当埋藏深度H>1.5H0时，顶板及地基稳定。

石村铁矿区小矿井开采深度在110~140 m，巷道及地基稳定。

土层边界角按45°考虑，岩层边界角取58.81°，采空区变形破坏边界70.5 m；土层边界角按45°考虑，采空区变形破坏边界110 m；A-A′剖面距离最近采空区约为145 m，采空区与A-A′剖面间存在35 m的安全廊道。

综上，线位沿A-A′剖面左右35 m内走行，不受采空区影响。

6.2　铁矿采空区稳定性评价

石村铁矿区南部，长林高速北侧存在一个宽约70 m的安全廊道，该区域内无采空区分布，鉴于石村铁矿区最南部采空区为小矿开采，深度小于110 m，线位沿A-A′剖面南北35 m内走行，不受采空区影响(如图6)。

图6　石村铁矿区及采空区工程地质成果

7石村铁矿方案研究

7.1　穿石村铁矿采空区加固处理方案研究

石村铁矿为国营矿，采空区界限清晰，现场调查采空区未塌陷，实测巷道存在塌陷，南侧采空部分矿渣回填，既有石林专用线从矿区通过。定测中针对穿采空区方案到井下采空区进行了实测，DK604+030～DK604+900段为采空区。考虑到部分采空区已经有塌方现象，且采空底板高程变化较大，因此全部采用人工加固支顶方案不可行。设计对采空区处理研究了以下两个方案。

(1)进入采空区加固处理方案

对采厚均匀、底板平缓、巷道完整、岩体稳定地段，考虑人工进入采空区采用浆砌片石支顶；有塌方或有塌落迹象地段、矿渣回填地段采用注浆措施处理。

(2)巷道浆砌封堵及地面压力注浆处理方案

首先将处理范围内目前矿山生产正在利用的巷道择地重建，再将处理范围内与其他区域连通的巷道进行人工浆砌片石封堵，然后于地面钻孔采用压力注浆措施处理。

7.2　绕避石村铁矿方案研究

对城北村北侧绕避铁矿方案进行了研究，该方案线路自D2K601+000起转向东南过城北村北侧，之后与城北村南侧绕避铁矿方案相接至D1K613+871.62。该方案线路穿城北东沟铁矿和石村成金铁矿，鉴于东沟铁矿开采时间长，地下采空复杂，地面塌陷严重，城北村北侧绕避铁矿方案存在重大安全隐患，研究后予以放弃。

随后对城北村南侧绕避铁矿方案进行了研究，该方案线路自D2K601+000起转向东南过城北村南侧，之后沿拟建的长安高速公路北侧行进，上跨林钢专用线，经东寨、井东坡、南曲阳、屯头，至方案比较终点D1K613+871.62与穿石村铁矿方案相接。该方案完全绕避了石村铁矿区采空区(如图7)。