山西中南部鐵路萊蕪繞避采空區(qū)改線方案研究

楊文東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京　100055)

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山西中南部鐵路萊蕪繞避采空區(qū)改線方案研究

楊文東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京100055)

摘要：山西中南部鐵路線路穿越萊蕪礦區(qū),由于垂楊鐵礦非法向鐵路方向開采,導(dǎo)致鐵路線路走行在采空區(qū)影響區(qū)內(nèi),存在重大安全隱患。在廣泛收集并消化吸收萊蕪礦區(qū)及區(qū)域地表移動(dòng)規(guī)律資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合本地區(qū)礦床賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造和開采方式等因素,按工程地質(zhì)類比法,采用地面塌陷移動(dòng)角的方法,找出安全可靠的鐵路廊道通過礦區(qū)。通過方案比選,推薦滿足鐵路運(yùn)營安全,符合城市規(guī)劃布局,繞避了港里村等重大拆遷工程,工程可實(shí)施性較強(qiáng)的沿匯合大道方案。礦區(qū)鐵路可采用地面塌陷移動(dòng)角的方法進(jìn)行鐵路選線,可有效縮短鐵路安全廊道的距離,大大減少壓覆礦藏的數(shù)量,對礦區(qū)鐵路選線有一定指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鐵路選線； 采空區(qū)； 方案比選

1概述

山西中南部鐵路通道地處華北南部，西起山西呂梁，東至山東日照港，銜接南北向京廣、京九、京滬鐵路等主要干線，形成一條新的“西煤東運(yùn)”的能源運(yùn)輸通道，也是我國東西向路網(wǎng)干線鐵路之一，對我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的能源安全保障作用。線路先后翻越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途經(jīng)山西、河南、山東3省11地級市，線路全長1 260 km，是我國第一條采用30 t軸重建設(shè)牽引萬噸的雙線電氣化重載鐵路。

2自然特征

2.1地形地貌

線路經(jīng)過區(qū)域?yàn)槿R蕪盆地，北、東、南三面環(huán)山，中間低平，西部開闊，地勢由東向西傾斜，北、東、南三面向中部傾斜。外形南緩北陡，向北突出，呈盆地狀。盆地北部為泰山余脈，走向近東西，自西向東有香山(918.7 m)、大山(823.6 m)等，南部有蓮花山(994.0 m)、新甫山(925.4 m)等與泰山山脈大致平行，皆為山勢陡峻、溝谷發(fā)育、切割強(qiáng)烈的中低山區(qū)。中部為低緩的山間平原，高程150～200 m。

2.2工程地質(zhì)

線路途經(jīng)礦區(qū)主要構(gòu)造為礦山背斜，礦山背斜位于萊蕪城西北，大部分隱伏于第三系之下，中部凸起呈殘丘地形。其走向南部為EW、中部為NE、北部為NNE。背斜中部隆起，兩端向北和南西傾沒，長8～9 km，寬5 km。核部為燕山期閃長巖，兩翼為中奧陶系、石炭系。該背斜對萊蕪鐵礦的形成起著控制性的作用，較大的礦床常位于背斜核部的礦山巖體向內(nèi)凹陷部位或背斜之傾沒端，Ⅰ礦床(小官莊礦)位于背斜近傾沒處的東翼，Ⅱ礦床(張家洼礦)則位于西翼，Ⅲ礦床(港里礦)位于傾沒端。

線路途經(jīng)礦區(qū)為新生界第四系堆積物掩蓋，局部第三系出露于地表。從新到老依次為：第四系松散堆積物、第三系半膠結(jié)砂擬巖、石炭系砂頁巖、奧陶系灰?guī)r，底部為燕山期閃長巖體，中奧陶系灰?guī)r(或大理巖)及石炭地層呈環(huán)帶狀分布在閃長巖體周圍。閃長巖侵入，產(chǎn)生了不同程度熱變質(zhì)，矽卡巖化或礦化熱液蝕變?；?guī)r多變?yōu)榇罄韼r，砂頁巖多變?yōu)樽冑|(zhì)砂巖、角巖、板巖，常迭加有矽卡巖化或礦化熱液蝕變。第三系與下伏古生代地層呈不整合接觸。其走向近于北東，傾向北西，傾角一般為10°～20°。

采空區(qū)主要地層第三系礫巖、黏土質(zhì)砂巖、矽卡巖和蝕變閃長巖。

2.3水文地質(zhì)

線路途徑礦區(qū)屬礦山水文地質(zhì)單元，受礦山背斜控制，位于石門官—沙王莊斷裂以北，礦山背斜兩翼，中奧陶統(tǒng)灰?guī)r(大理巖)隱伏于第四系、第三系地層之下，礦山背斜核部閃長巖石為隔水體，背斜兩翼大理巖水力聯(lián)系微弱，大理巖外圍石炭二疊地層為隔水邊界。

地下水補(bǔ)給源有地下徑流、大氣降水及孔隙水，北部及礦山巖體周圍尚受裂隙水補(bǔ)給。地下水徑流主要在八里溝一帶通過次一級導(dǎo)水構(gòu)造補(bǔ)給。礦山巖體周圍灰?guī)r出露，可接受大氣降水直接補(bǔ)給或通過“天窗”構(gòu)造接受孔隙水補(bǔ)給。該區(qū)地下巖溶發(fā)育，連通性好，地下水賦存條件好，含水量豐富。

3萊蕪地區(qū)礦區(qū)分布及開采情況

3.1萊蕪地區(qū)礦區(qū)分布

鐵礦是萊蕪地區(qū)的優(yōu)勢礦產(chǎn)之一，也是山東省富鐵礦的主要產(chǎn)區(qū)之一。有變質(zhì)鐵礦、熱液充填交代型鐵礦和接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床3種類型，探明基礎(chǔ)儲(chǔ)量47 638.5萬t，約占山東省的24.4%。線路途徑區(qū)主要有魯中礦、垂陽礦2個(gè)礦區(qū)。

魯中礦位于礦山弧形背斜北部傾沒端，屬熱液接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體傾角5°～45°，埋藏較深，距地表234～1 000 m，礦體走向北東向，長1 400 m，礦體平均厚度30.59 m，礦體頂部為第三系紅板巖，底部為大理巖。魯中礦于1998年開始開拓建設(shè)，地質(zhì)儲(chǔ)量1.47億t，分4個(gè)主礦體。1號(hào)礦體采用充填法開采，2號(hào)～4號(hào)礦體采用無底柱分段崩落法開采。目前已采出礦石約530萬t，開采深度從-146 m水平到-184 m水平，生產(chǎn)能力140萬t/年。

垂陽鐵礦為魯中礦業(yè)港里鐵礦區(qū)的外圍礦，屬熱液接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體傾角5°～10°，礦體埋深450～520 m。礦床以磁鐵礦為主，總儲(chǔ)量309萬t，平均品位55%。礦體頂板為角巖部分大理巖，底板為矽卡巖和閃長巖。地質(zhì)儲(chǔ)量309萬t，分3個(gè)礦體，上下疊置分布，采用充填法開采。

3.2萊蕪地區(qū)礦區(qū)開采情況

根據(jù)兩礦提供的采空區(qū)資料，原初步設(shè)計(jì)方案DK1046+354～DK1046+745走行在垂楊鐵礦采空區(qū)影響區(qū)內(nèi)，存在重大安全隱患。其中垂楊鐵礦采用房柱采礦事后充填法開采，開采高程-260 m，開采深度475 m，采空區(qū)最南端距離匯河大道310 m；魯中鐵礦礦井采用立井開拓，分4個(gè)主礦體，采礦分條沿礦體傾斜方向布置。1號(hào)礦體設(shè)計(jì)采用房柱采礦事后充填法開采，開采水平-260 m，兩條風(fēng)井基本建成，-200 m中段開拓工程過半，2號(hào)～4號(hào)礦體采用無底柱分段崩落法開采，2003年開始生產(chǎn)，目前已采出礦石約530萬t，開采深度從-146 m到-184 m。礦體走向北東向，礦體平均厚度30.59 m，礦體傾角5°～45°。1號(hào)礦體巷道最北端距離匯河大道332 m，2號(hào)～4號(hào)礦體采空區(qū)最北端距離匯河大道495 m。見圖1。

圖1　魯中鐵礦、垂陽鐵礦采空區(qū)示意

4方案研究

4.1改線安全廊道選擇

4.1.1巖移參數(shù)選取

長期以來，相關(guān)單位針對魯中礦區(qū)地面沉降、塌陷規(guī)律進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，通過現(xiàn)場監(jiān)測、反演分析等手段，總結(jié)歸納出了本礦區(qū)的地表變形、移動(dòng)參數(shù)，其中《魯中冶金礦山公司小官莊鐵礦地表移動(dòng)規(guī)律及保安礦柱合理尺寸研究》((94)冶科成鑒字第262號(hào))確定的小官莊鐵礦巖石移動(dòng)角為67°。《魯中冶金礦山公司復(fù)雜地形地表移動(dòng)研究》((94)冶科成鑒字第263號(hào))確定的港里鐵礦巖石移動(dòng)角在67°～69°。2003年12月山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站、山東省萊蕪市國土資源局《山東省萊蕪市礦區(qū)地面沉降(塌陷)規(guī)律研究及防治報(bào)告》中確定的小官莊礦區(qū)小官莊鐵礦巖石移動(dòng)角為67°，張家洼鐵礦巖石移動(dòng)角為68°。

圖2　移動(dòng)角、 破壞角與邊界角示意

根據(jù)采空變形的相關(guān)理論，采空區(qū)影響范圍按照圖2所示的邊界進(jìn)行計(jì)算(《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2001/ J125—2001)、《鐵路工程地質(zhì)手冊》)。(a)沿礦層走向移動(dòng)角δ、破壞角δ″、邊界角δ0；(b)沿礦層傾向下山方向的移動(dòng)角β和β1、破壞角β″和β1″、邊界角β。和β1；(c)沿礦層傾向上山方向的移動(dòng)角γ、破壞角γ″、邊界角γ。

L=Hcotβ0(γ0/δ0)+hcotφ

式中φ——第四系移動(dòng)角；

β0(γ0/δ0)——邊界角；

β0=β-15°×(1-0.01α)；

γ0=γ-15°；

δ0=δ-15°；

β0——下山移動(dòng)邊界角；

γ0——上山移動(dòng)邊界角；

δ0——走向移動(dòng)邊界角；

α——巖層的傾角。

考慮到垂陽鐵礦和魯中礦與上述研究區(qū)域所處地質(zhì)背景、礦床賦存條件、頂板巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造和開采方式等因素基本相同，按工程地質(zhì)類比法，綜合確定巖石移動(dòng)角67°。采空區(qū)變形破壞邊界計(jì)算示意如圖3所示。

圖3　采空區(qū)變形破壞邊界計(jì)算示意

4.1.2改線安全廊道

改線安全廊道=兩礦采空區(qū)間距離—垂陽鐵礦采空影響邊界(錯(cuò)動(dòng)邊界)—魯中鐵礦采空影響邊界(錯(cuò)動(dòng)邊界)。巖系地層移動(dòng)角選取67°，第四系地層移動(dòng)角取45°。依據(jù)上述采空區(qū)錯(cuò)動(dòng)邊界預(yù)測，兩礦間安全通道北邊界距垂陽鐵礦采空區(qū)邊界最近216 m；安全廊道南邊界距港里鐵礦1號(hào)巷道邊界最近261 m，距魯中鐵礦采空區(qū)邊界最近323 m。安全廊道最窄距離195 m。

4.1.3改線安全廊道專家論證

2012年4月11日，晉豫魯鐵路通道股份有限公司在北京主持召開了“山西中南部鐵路通道萊蕪地區(qū)繞避采空區(qū)方案專家論證會(huì)”。專家主要意見認(rèn)為繞避采空區(qū)方案充分收集利用了《魯中冶金礦山公司小官莊鐵礦地表移動(dòng)規(guī)律及保安礦柱合理尺寸研究》、《山東省萊蕪市礦區(qū)地面沉降(塌陷)規(guī)律研究及防治報(bào)告》等研究成果，結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)背景、礦床賦存條件、頂板巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造和開采方式等因素，按工程地質(zhì)類比法，確定采空地面塌陷移動(dòng)角采用67°是合理的，可作為劃定鐵路安全通道的依據(jù)。依據(jù)移動(dòng)角計(jì)算的安全通道可保證鐵路安全，沿匯合大道調(diào)整線路方案和局部優(yōu)化調(diào)整線路方案均可采用。

4.2改線方案研究

4.2.1方案說明

原初步設(shè)計(jì)方案由于垂楊鐵礦向南側(cè)開采，走行在垂楊鐵礦，存在重大安全隱患，導(dǎo)致鐵路處于采空區(qū)影響范圍區(qū)內(nèi)，存在重大安全隱患，需改線繞避。根據(jù)上述推薦的改線安全廊道，結(jié)合萊蕪地區(qū)車站布局調(diào)整，研究了局部調(diào)整方案及沿匯合大道方案進(jìn)行綜合比選，見圖4。

圖4　繞避采空區(qū)方案示意

方案一：局部調(diào)整方案

線路自DK1037+000引出后，繼續(xù)向東北前行，于IDK1041+150設(shè)萊蕪站，出站后跨越在建珠海路、萊城大道，穿過港里村后跨過匯合大道，沿匯合大道北側(cè)行進(jìn)，走行于安全廊道內(nèi)，穿家家悅物流園后跨過S242后至比較終點(diǎn)。該方案線路全長12.905 km，橋梁總長為5.859 km。

方案二：沿匯合大道方案

線路自DK1037+000引出后，經(jīng)歌爾聲學(xué)規(guī)劃用地北側(cè)、萊蕪魯能開源集團(tuán)工業(yè)園北側(cè)后沿匯合大道南側(cè)行進(jìn)，在安通醫(yī)療器械公司東側(cè)跨過匯合大道，走行于安全廊道內(nèi)，穿家家悅物流園后跨過S242至比較終點(diǎn)。該方案線路全長13.249 km，橋梁總長為5.924 km。

4.2.2投資比較及優(yōu)缺點(diǎn)分析

兩方案主要工程數(shù)量比較見表1。

表1　繞避采空區(qū)方案主要工程數(shù)量及投資比較

兩方案優(yōu)缺點(diǎn)分析見表2。

表2　優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.2.3推薦意見

原初步設(shè)計(jì)方案走行在垂楊鐵礦采空區(qū)影響區(qū)內(nèi)，存在重大安全隱患，沿匯合大道方案和局部調(diào)整方案采用67°移動(dòng)角推斷的安全廊道安全可靠，繞避采空區(qū)，壓礦數(shù)量少。且沿匯合大道方案具有與匯合大道共通道，有利于城市規(guī)劃布局，繞避了港里村，拆遷工程小，工程可實(shí)施性較強(qiáng)，符合地方政府意見等優(yōu)點(diǎn)，綜合比選推薦沿匯合大道方案。

5結(jié)語

方案研究在廣泛收集并消化吸收萊蕪礦區(qū)及礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)背景、礦床賦存條件、頂板巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造和開采方式等因素，按工程地質(zhì)類比法，采用地面塌陷移動(dòng)角的方法，研究推薦了滿足鐵路運(yùn)營安全，符合城市規(guī)劃布局，繞避了港里村等重大拆遷工程，工程可實(shí)施性較強(qiáng)的沿匯合大道方案。目前本方案已通過鐵路及礦方有關(guān)部門的審查和評估，工程建設(shè)現(xiàn)已建設(shè)完成，效果良好。

礦區(qū)鐵路選線可采用地面塌陷移動(dòng)角的方法進(jìn)行，在滿足安全的前提下，有效縮短鐵路安全廊道的距離，大大減少壓覆礦藏的數(shù)量，對礦區(qū)鐵路選線有一定指導(dǎo)價(jià)值。

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Study on Rerouting Scheme for Bypassing Mined-out Area along South Central Railway of Shanxi YANG Wen-dong

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd, Beijing 100055, China)

Abstract：South central railway of Shanxi passes through Laiwu mining area. Due to illegal exploitation of Chuiyang iron mine towards railway, the railway has to pass through affected area of mined out area, thus suffering significant security risks. Based on extensive collection and absorption of data pertinent to Laiwu mining area and regional surface movement tendency, engineering geological analogy and ground collapse movement angle method are adopted to find a safe and sound railway corridor through mining area with reference to such factors as deposits hosting condition, geological structure of the region and mining methods. Through scheme comparison, the scheme to go along Huihe Avenue is recommended, which satisfies safe railway operation, confirms with city layout, and bypasses Gangli Village and other major resettlement projects. Ground collapse movement angle method is acceptable for railway route selection through mining area to shorten the distance of the railway corridor and reduce significantly occupied mineral resources, which provides certain guidance to railway route selection in mining area.

Key words：Railway route selection; Mining area; Scheme selection

中圖分類號(hào)：U212.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.005

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0024-04

作者簡介：楊文東(1972—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于上海鐵道大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：806734511@qq.com。

收稿日期：2014-08-13； 修回日期：2014-09-10