某新建高速鐵路鐵礦采空區(qū)工程地質(zhì)選線分析

郭紹平

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Engineering Geological Route Selection of a New High Speed Railway in Iron Mine goaf

GUO Shaoping

某新建高速鐵路鐵礦采空區(qū)工程地質(zhì)選線分析

郭紹平

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Engineering Geological Route Selection of a New High Speed Railway in Iron Mine goaf

GUO Shaoping

摘要某新建高速鐵路通過楊家莊鐵礦及戴家官莊洪秋鐵礦采空區(qū)段，在分析既有資料的基礎(chǔ)上，采用工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等綜合勘察方法，查明了礦區(qū)地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀，計(jì)算采空區(qū)坍塌影響范圍，確定線路通過采空區(qū)方案。

關(guān)鍵詞高速鐵路鐵礦采空區(qū)工程地質(zhì)選線

1概述

某新建高速鐵路位于沖洪積平原區(qū)，地形平緩，局部為低山丘陵，地形起伏較大，地質(zhì)條件較復(fù)雜。沿線分布煤礦、鐵礦及硬質(zhì)黏土礦采空區(qū)，對(duì)線路方案影響較大。

線路DK212～DK237段并行于既有高速公路北側(cè)，于DK222～DK223處臨近楊家莊鐵礦及戴家官莊洪秋鐵礦，兩礦區(qū)之間相距不足800 m，形成一條狹窄的咽喉通道區(qū)(見圖1)。楊家莊鐵礦及戴家官莊洪秋鐵礦屬于正在開采或經(jīng)過批準(zhǔn)計(jì)劃開采的礦區(qū)，原則上線路應(yīng)盡量繞避，且宜設(shè)置在采空區(qū)塌陷影響區(qū)范圍外一定距離。線路方案若選擇北繞楊家莊鐵礦，不但使得鐵路展線大大延長，增大拆遷面積，工程投資大大增加，同時(shí)致使DK219處線路北移不可避免正穿趕仙莊鐵礦礦區(qū)；若選擇南繞戴家官莊洪秋鐵礦則不但大幅增加線路長度，且需多次跨越現(xiàn)有高速公路；選擇在兩礦區(qū)之間穿過時(shí)線路長度最短，拆遷面積最小，經(jīng)濟(jì)上最合理。因此，線路能否在兩礦區(qū)之間安全通過成為此處工程地質(zhì)選線的關(guān)鍵。

2礦區(qū)地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀

通過資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、訪問及物探鉆探等方法，對(duì)采空區(qū)地層巖性、礦體分布特征及開采情況等進(jìn)行詳細(xì)勘察，查明采空區(qū)的礦區(qū)地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀。

2.1　楊家莊鐵礦

(1)礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地表為第四系所覆蓋，厚度2.0～10.0 m，下伏下元古界粉子山群小宋組，主要巖性為黑云變粒巖、黑云片巖、斜長角閃巖等。

(2)礦體地質(zhì)特征

礦區(qū)外圍共圈定Ⅰ、Ⅱ號(hào)2個(gè)鐵礦體，其中Ⅰ號(hào)礦體為主礦體，主要賦存于下元古界粉子山群黑云片巖中，圍巖為黑云變粒巖。礦體走向40°，傾向130°，傾角20°，礦體賦存高程-46.0～-120.0 m之間，埋深71.0～145.0 m，礦體厚1.36～15.64 m。Ⅱ號(hào)礦體主要賦存于下元古界粉子山群黑云片巖中，圍巖為黑云變粒巖。礦體走向40°，傾向130°，傾角20°，礦體賦存高程-70.0～-100.0 m，礦體埋深95.0～125.0 m，礦體厚2.72～7.48 m。

(3)開采情況

山東省國土資源廳于2011年3月7日頒發(fā)了采礦許可證，開采深度由19.0 m至-138.0 m。后因其他礦區(qū)發(fā)生透水事故導(dǎo)致附近礦區(qū)停閉，因此區(qū)內(nèi)并未大規(guī)模開采，只完成部分豎井與巷道工程。

2.2　戴家官莊洪秋鐵礦

(1)礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地表為第四系所覆蓋，厚度1.2～28.0 m，礦區(qū)內(nèi)由南向北逐漸變厚，下伏下元古界荊山群、粉子山群。荊山群主要巖性為厚層狀蛇紋大理巖、斜長角閃巖等，傾向南東，傾角40°～49°；粉子山群出露主要為小宋組，巖性主要為黑云變粒巖、斜長角閃巖等。

(2)礦體地質(zhì)特征

礦區(qū)鐵礦層主要有三個(gè)層位，礦體走向0～55°，平均30°，傾向南東，傾角68～75°，礦體厚度1.67～3.79 m，平均2.67 m。下部層位為Ⅰ礦層，內(nèi)有Ⅰ礦體，巖性組合為磁鐵黑云變粒巖、磁鐵黑云斜長片麻巖，礦層厚度1.23～9.09 m，最大埋深449 m；Ⅰ礦層上部為Ⅱ礦層，內(nèi)有Ⅱ-1、Ⅱ-2兩個(gè)礦體，巖性組合為磁鐵含石榴黑云變粒巖、磁鐵黑云變粒巖等，最大埋深190 m，Ⅱ-1礦體厚度1.54～3.19 m，Ⅱ-2礦體厚度1.03～3.53 m；上部為Ⅲ礦層，內(nèi)有Ⅲ號(hào)礦體，礦體埋藏較淺，分布區(qū)域較小，層厚1.22～2.55 m。

(3)開采情況

鐵礦始建于上世紀(jì)70年代，當(dāng)?shù)卮迕裣群笥寐短觳傻V方式采出淺部少量礦體，2003年后采用淺孔留礦法、房柱采礦法陸續(xù)開采，2009年后完成了豎井和部分巷道工程，開采-100 m水平以上淺部礦體。2010年8月山東省國土資源廳批復(fù)開采高程自24 m 至-419.79 m。

3地質(zhì)選線分析

3.1　采空區(qū)邊界確定

(1)資料收集

人為坑洞地段工程地質(zhì)調(diào)繪應(yīng)充分搜集相關(guān)政府主管部門的礦產(chǎn)資源規(guī)劃資料，相關(guān)礦區(qū)及人工開鑿的各種坑道和洞穴等資料。在未出現(xiàn)越界開采及私挖亂采的情況下，可考慮礦界為采空區(qū)邊界，礦界由礦區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)確定。通過收集楊家莊鐵礦及戴家官莊洪秋鐵礦采礦許可證，獲得其礦區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)，確定了其礦區(qū)開采邊界(見圖1)。

(2)物探及鉆探驗(yàn)證

對(duì)地下采空區(qū)而言，無資料可查的歷史開采以及越界開采、私挖亂采等是最大的安全隱患，在調(diào)查訪問的基礎(chǔ)上，物探是人為坑洞地段工程勘察的重要手段。勘測(cè)過程中采用淺層地震反射法和氡氣測(cè)量法進(jìn)行工作，共完成氡氣測(cè)量物理點(diǎn)1 030個(gè)，淺層地震反射測(cè)線4條，共發(fā)現(xiàn)四處采空區(qū)異常(見圖2)，其中WT-1位于楊家莊鐵礦西邊界外側(cè)，WT-2、WT-3、WT-4位于戴家官莊洪秋鐵礦北邊界附近，四處采空區(qū)異常范圍均較小。

綜合調(diào)查收集資料及物探結(jié)果，對(duì)距離線位較近的楊家莊鐵礦，沿礦界南側(cè)邊界方向布置四個(gè)深孔鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)越界開采情況。

3.2　采空區(qū)對(duì)鐵路選線影響

戴家官莊洪秋鐵礦位于線位南側(cè)，中間隔有既有高速公路，礦界離線位最近距離446 m，礦區(qū)北部只開采過少量淺層礦體，未進(jìn)行深層開采，物探僅在北礦界附近發(fā)現(xiàn)三處采空區(qū)異常，但范圍均較小，物探推測(cè)采空區(qū)邊界距線位425 m；楊家莊鐵礦位于線路北側(cè)，礦界距線位最近192 m，礦區(qū)內(nèi)只完成部分巷道和基建工作，并未大規(guī)模開采，物探結(jié)果顯示礦區(qū)西邊界存在小范圍采空異常，深孔鉆探未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)存在。目前兩家鐵礦對(duì)鐵路影響均較小，如采取控采措施，風(fēng)險(xiǎn)可控。

采空區(qū)選線安全距離計(jì)算：

安全距離計(jì)算公式為

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

式中L——圍護(hù)帶寬度/m；

H1——松散層厚度/m；

H2——頂板以上基巖厚度/m；

φ——松散層塌陷擴(kuò)散角/(°)；

δ——巖體塌陷擴(kuò)散角或巖移角/(°)。

按最不利因素考慮，本區(qū)第四系土層塌陷擴(kuò)散角采用45°，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)巖石采用60°，圍護(hù)帶寬度為20 m。

楊家莊鐵礦區(qū)第四系土層厚10 m，頂板以上基巖厚135 m，其安全距離為：M=20+10×cot45°+135×cot60°=108 m。采空區(qū)邊界(礦界)距線位最近192 m，大于安全距離。

戴家官莊洪秋鐵礦區(qū)第四系土層厚28 m，頂板以上基巖厚421 m，其安全距離為：M=20+28×cot45°+421×cot60°=291 m。采空邊界按物探推測(cè)結(jié)果，距線位最近425 m，大于安全距離。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得出采空區(qū)塌陷影響邊界線(見圖3)，可見鐵路線位均位于邊界以外。綜上分析，線路選擇在楊家莊鐵礦與戴家官莊洪秋鐵礦之間通過方案可行。

4結(jié)論

采空區(qū)工程地質(zhì)選線是鐵路工程地質(zhì)勘察中的重點(diǎn)工作。在勘測(cè)過程中，采用收集資料、訪問調(diào)查、物探及鉆探等綜合勘察方法，查明楊家莊鐵礦及戴家官莊洪秋鐵礦礦區(qū)分布范圍，確定了礦區(qū)開采影響邊界。在三條可選方案中，北繞楊家莊鐵礦方案及南繞戴家官莊洪秋鐵礦方案均比中間穿過方案線路增長，拆遷面積增大，技術(shù)難度增加，中間方案在經(jīng)濟(jì)及技術(shù)上最為合理。經(jīng)綜合分析及計(jì)算，鐵路在楊家莊鐵礦及戴家官莊鐵礦之間穿過滿足地質(zhì)安全距離要求，方案可行。因鐵礦尚未大規(guī)模開采，在后期鐵路運(yùn)營特別是鐵礦開采期間，需做好沉降觀測(cè)，排除安全隱患。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/10027—2012鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2012

[2]鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[3]中華人民共和國鐵道部.TB/10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[4]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].煤炭工業(yè)出版社，2000

[5]李國和，李桂芳.采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(10)：15-20

[6]陳則連.煤礦采空區(qū)地表巖移對(duì)高速鐵路的影響研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(4)：5-8

[7]仇祥凱，滕炳煜，劉樹銘.大秦鐵路西段工程地質(zhì)選線[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1996(2)：26-35

[8]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1993

[9]何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社，2004

[10]韓廣樂，楊茂杰.錫烏線工程地質(zhì)選線分析[J].鐵道勘察，2008(6)：89-91

[11]於定華.婁邵線牛馬司煤礦采空區(qū)地質(zhì)選線[J].鐵道勘察，2006(4)：47-50

中圖分類號(hào)：U212.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)05-0034-03

作者簡介：郭紹平(1988—)，2014年6月畢業(yè)于中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-06-25