某金矿采空区对铁路的稳定性影响分析

樊金平

（中国铁路设计集团有限公司，天津300142）

1 采空区地质条件及金矿开采情况

研究区地层岩性为栖霞超单元回龙夼单元中细粒含角闪英云长岩及新庄单元片麻状、条带状细中粒黑云英云闪长岩。该矿区2000年开始设置矿权，之前有浅部民采井。金矿区有2个矿脉，分别为Ⅰ号矿脉和Ⅱ号矿脉，矿体赋存标高为+10～-100 m，Ⅰ号矿脉中有2个矿体Ⅰ-1和Ⅰ-2，Ⅰ-1矿体已采空，Ⅰ-2矿体赋存标高+10～-70 m，矿体走向北东30°，倾向北西，倾角55°～64°，平均60°，矿体厚度0.61～1.35 m，平均0.9 m。Ⅱ-1号矿体走向北东25°，倾向北西，倾角80°，矿体厚度0.87～3.24 m，平均1.46 m。开采方式为地下开采，采用浅孔留矿法和上向水平分层尾砂充填法开采。浅部Ⅰ-1已采空，Ⅰ-2开拓至-50 m，Ⅱ-1矿体开拓至-90 m，最大开采深度约150 m。

2 采空区综合勘察

该金矿矿权有效期至2010年10月底，矿权已灭失。某新建铁路线位临近金矿采空区走行，为查明研究区的采空区分布情况，采用资料收集及地质调查、物探分析、InSAR沉降监测等综合勘察手段查明采空区的分布情况。

2.1 资料收集及地质调查

通过多方收集资料，深入现场实地走访调查，采空区主要分布于既有矿界内，主要为Ⅰ-2、Ⅱ-1采空区，采空区分布标高为-90～+10 m。矿区及附近未发生大规模地面塌陷及沉降现象，附近存在零星民采井分布。调查发现矿区内现状分布废弃开采巷道1处（Cyt-01）、淘金洞（竖井）1处（Cyt-02）。Cyt-01巷道口延伸方向40°，井壁为强风化闪长岩，完整性较差，有轻微坍塌，据走访村民介绍，巷道内有竖井分布，开采深度约30 m，已废弃停采多年。Cyt-02淘金洞（竖井）井口直径1.5 m，为民采井，2010年前后进行过开采（民采），开采时间不足1年，开采深度约20 m，存在向西北方向延伸的巷道。

2.2 物探测试

依据矿区采空区规模、埋深、现场的地形、地质条件等情况，在研究区选用高精度重力法物探手段对采空区进行了探测工作。根据划定的探测范围及现场地形条件布置测线，共完成有效测点245点，检查点13点。

研究区局部重力异常最大值为3.6×10-4mGal（1 Gal=1 cm/s2），最小值为1.6×10-4mGal。本工作区存在已知采空区，由已知采空区及地质踏勘得知的地表金矿开采范围与布格剩余异常对比，其分布范围与局部重力低值异常相对应，这也与采空区的低密度特征吻合，因此，推断该区内布格重力剩余异常的低值范围为采空区的分布区域，如图1所示。物探成果与收集资料及现场调查成果基本吻合。

图1 布格重力剩余异常平面图

2.3 I nSAR沉降监测分析

采用InSAR沉降监测手段，采用30 m分辨率L波段ALOS-palsar影像作为数据源，解译了研究区2007—2011年的SAR图像及数据，通过自由组合构建得到多个差分干涉对，进行InSAR数据预处理，采用SVD分解后，得到最终的沉降反演结果，如图2所示。

图2 I nSAR形变速率图

由上述监测成果可知，在监测时间段内未探测到明显沉降，年平均沉降速率均小于10 mm/a，表明监测时段内该金矿采空区处于基本稳定状态。

3 采空区稳定性分析评价

3.1 采空区稳定性分析

综合采空区资料分析，结合胶东地区金矿采空区特点，选定以临界深度对比法对采空区顶板稳定性进行评价，并以稳定性及采空区影响范围为基础，最终确认采空区对线路的影响[1,2]。采空区顶板稳定性受力分析临界深度计算公式如下：

式中，H0为采空区顶板稳定性临界深度；B为采空区宽度，m；γ为顶板岩层的天然重度，kN/m3；φ为岩层的内摩擦角，（°）；P0为建筑物基地的单位压力，kPa。

稳定性评价标准：当采空区埋藏深度H＜H0时，顶板不稳定；当H0≤H≤1.5H0时，顶板基本稳定；当H＞1.5H0时，顶板稳定。顶板稳定计算结果如表1所示。

表1 临界深度对比法采空区稳定性评价结果m

由上述计算结果可知，Ⅰ-2、Ⅱ-1采空区顶板处于基本稳定状态。

3.2 采空区影响范围确定

根据收集的金矿井上井下对照图，结合物探分析成果对采空区边界进行圈定，根据圈定的采空区边界来确定采空区影响范围。根据矿区地质条件、矿岩性质及现场调查，确定矿层上、下盘及端部围岩开采崩落角取70°，第四系取45°，按照采空区倾角80°，对采空区影响范围进行圈定。具体计算公式为：

式中，r为地表岩移影响半径，m；H为采空区埋深，m；β为崩落角。根据国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局和国家铁路局印发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，新建项目保护等级为特级，确定围护带宽度取L0=50 m。

通过计算，采空区影响范围及铁路安全边界如表2所示，铁路定线时需保证线路与采空区边界的距离大于铁路安全边界值。

表2 采空区影响范围一览表m

4 结论及建议

本文以某金矿采空区为例，采用资料收集与地质调查、物探测试、InSAR沉降监测分析等综合勘察手段，查明了采空区的分布情况，并通过力学计算方法分析了采空区的稳定状态和采空区影响范围，为铁路选线定线提供了依据。

InSAR技术在采空区沉降监测中具有监测范围广、监测精度高、可持续监测等诸多优点，在采空区沉降监测应用过程中需根据矿山开采时间选取有代表性的靶向年度范围开展监测工作，同时需注意采空区形成与地面沉降变形发生的滞后性。

鉴于采空区的形成过程的复杂性，特别是历史上形成的民采采空区往往分布杂乱，难以在勘察时难以全部查明，在铁路建设期间应采取探灌结合等方式对影响范围内民采采空区进行处理，运营期间应对铁路两侧地表变形及构筑物开展自动化监测，并建立信息化数据库，发现问题时及时提出预警并采取处理措施。