山西中南部铁路铁矿采空区工程地质选线分析

148质量管理山西中南部铁路通道莱芜北侧方案垂杨铁矿、鲁中铁矿的矿区及采空区为该方案成立的主要控制因素，基于前期收集的矿区资料，针对垂杨铁矿、鲁中矿业展开了详细的调查、物探及矿井下实测工作，基于上述成果提出工程地质意见。采空区;铁路;方案评价“山西中南部铁路铁矿采空区工程地质选线分析刘银岩姜海杰中交一公局海威工程建设有限公司北京101119TANSUOYANJIU/探索研究大面积深层采空区塌陷是矿区普遍存在的地质灾害,它给当地的工农业生产带来极大的危害。山西中南铁路西起山西省吕梁市瓦塘镇，东至山东省日照港。是连接中国东西部的重要煤炭资源运输通道、国家中长期铁路网规划的重要组成部分，全长1260km。其中近3km需穿越莱芜北矿区及采空区,本段采空区是铁路地质选线的工作重点。1线路方案山西中南铁路莱芜段主要有两个方案:莱芜北方案(CK方案)和CIK沿既有线方案(图1)。CK方案:线路从鲁中矿业的港里铁矿和垂杨铁矿之间穿过，两矿区边界相距340m；CIK方案:线路沿着泰莱既有线穿越莱芜市，从鲁中矿业的小官庄铁矿南侧穿过。2煤矿采空区的工程地质特征2.1地形地貌矿区位于鲁中丘陵莱芜盆地内北半部，属大汶河流域冲积～残坡积平原区，年平均气温11℃～13℃，平均降水量700～800mm，大汶河支流嘶马河及方下河由该区两侧自北向南流入大汶河，为季节性河流，区内人口稠密，村庄密布。2.2地质构造及地层岩性莱芜盆地为一断陷盆地，四周均以大断裂与山脉分界。盆地内断裂构造也发育。矿区位于矿山弧形背斜，似弯月穹隆构造，所见组成背斜的地层有奥陶系马家沟组、石炭系本溪组和太原组，核部为侵入的闪长岩体，区内铁矿属接触交代型，矿体赋存于火成岩与石灰岩接触带内。第四系（Q）为黄色粉质黏土、粉土，局部有古河道的中粗砂层，厚2-20米。第三系官庄群大汶口组（EgＤ）：主要为红色粘土质粉砂岩、砂岩、灰绿色砂岩；上部夹页岩、泥灰岩，底部为含砾石砂岩和底砾岩。厚200-500米。石炭系本溪组（Cyb）：砂质页岩、页岩、夹砂岩、粘土岩及灰岩。奥陶系中统马家沟组（OM）：白云质灰岩、纯灰岩、薄层泥质白云质灰岩，为矿体顶板。2.3矿区及开采情况鲁中矿业面积10.44km2。矿区范围分为小官庄铁矿、张家洼矿体、港里铁矿，共探明地质储量2.74亿吨，属矽卡岩型铁矿。最南端为小官庄矿体，走向NW73°,倾角10°-30°，矿体埋深450~800m，走向长2510m，厚25~50m。北端为港里矿体，倾角5°~45°，埋藏较深，距地表234~1000m，矿体走向NE向，走向长1400m，矿体平均厚度30.59m。小官庄铁矿分为四个采区，分5层进行开采，从矿区地表到开采的第一分层为480m，目前南区最深处达到-300m。港里铁矿最大开采深度达1050m，暂时开质量管理149采分四层，开采巷道3*3.5m，各开采巷道标高为-200m至-850m之间。距离线位最近为800m，其开采标高为-300m。开采工艺为崩塌开采，崩塌高度约10m。垂杨铁矿为私人民营铁矿，面积0.3km2，为港里铁矿的延伸铁矿，储量为308.6万吨，年开采能力为15万吨。属矽卡岩型铁矿。垂杨铁矿最大开采深度达530m。共分四层。开采标高分别为-260m、-290m、-315m、-325m。巷道2.5*2.5m。距离线位最近为250m左右，其开采标高为-260m。开采工艺为充填开采（矿柱开采完后用半胶结充填、非胶结充填，材料为水泥及碎石）。2.4采空区水文地质条件矿区内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要分布于第四系松散层中,埋深2~5m,水量较大,水质较好,受大气降水的补给;第三系泥岩为良好的隔水层,阻止了孔隙潜水下渗补给,基岩裂隙水主要赋存于基岩中，水量一般。泥岩具膨胀性,主要成分为伊利石、蒙脱石，失水干裂易形成裂隙，遇水膨胀松散软化后易被水冲走。采矿后基岩裂隙水会沿采空区四周宣泄,浸泡泥岩,使其软化,崩解,从而使煤层顶部产生冒落、撕裂、弯曲,使地面下沉或塌陷。2.5工程地质问题矿区主要存在采空塌陷及压覆矿产资源等工程地质问题，铁矿采空塌陷突发性强，比煤矿采空塌陷危害更大。采用了现场调查、资料收集、物探及井下测量等方法,基本查明了采空区的分布范围、开采的深度、厚度和方法,主要巷道的位置、大小、断面尺寸及今后规划等。鲁中矿业铁矿开采规模大、深度深，且为崩塌开采，采空区已形成移动盆地及塌陷区，南部和中部形成了小官庄塌陷区、张家洼塌陷区，北部塌陷已达小洼村，目前小洼村已完成搬迁；小洼村北部1号矿体储量达1亿吨，采掘图已完成设计，现正在进行巷道建设。垂阳铁矿为民营铁矿，开采深度500米左右，开采工艺为充填开采，巷道无支撑，现主要在北部的主巷道进行开采，回采率低，经现场调查未见采空塌陷或地表变形开裂等不良现象。也正规划向南开采。3采空区稳定性评价3.1塌陷形成机理矿层采出后，采空区上方岩层在重力作用下发生弯曲、离层以致冒落形成塌陷。按岩石的破坏程度，自采空区到地表可划分为冒落带、裂隙扩展带和弯曲变形带。据资料表明，冒落带与裂隙带影响高度是矿层开采厚度的十倍甚至数十倍，当采空区冒落带影响到地表时，地表出现塌陷坑；若只裂隙带发育到地表，则地表以地裂缝为主；当三带均发育时，弯曲带上方地表形成塌陷盆地，盆地中心下沉深度最大，边缘最小。3.2采空区变形边界计算连接主要的影响边界点与开采边界的直线与水平线所成的夹角称为主要移动角，主要移动角随岩性和开采深度的变化而变化。；=arctg（D/R）；L为塌陷影响范围；为岩层移动角；；为第四系土层移动角；；D为岩层影响半径，观测值；h为岩层开采深度；由于进行了长期的地表移动监测，根据冶金工业部《鲁中矿业冶金公司小官庄铁矿地表移动规律及保安矿柱合理尺寸研究》，下沉系数0.25，预测最大下沉量14.4m；水平移动系数0.4，预计最大水平移动量为5.8m，土层移动角取45°；垂杨铁矿岩层移动角取65°；港里铁矿岩层移动角取60°，小官庄铁矿、谷家台铁矿岩层移动角取65°；。根据路基填方高度计算出需要的单侧矿柱的宽度如下：单侧矿柱宽度=铁路半宽+围护带保护宽度+L垂杨矿柱宽度=15+20+25+490*cot65≈288m；港里矿柱宽度=15+20+25+800*cot60≈522m；小官矿柱宽度=10+20+25+500*cot65≈288m；谷家台矿柱宽度=10+20+25+415*cot65≈249m4线路方案评价CK方案目前距离垂杨铁矿410m，距离港里铁矿620m，目前在港里铁矿、垂阳铁矿间存在一个约1000m宽的未开采区，可向北侧调整优化线位，目前铁路可以安全通过。但鉴于鲁中矿业北部1号矿体的规划开采，垂阳铁矿主巷南部的规划开采，将直接影响到安全廊道是否长期存在。应禁止鲁中矿业在1号矿体、垂阳铁矿在主巷南部进行建设和采矿活动。同时考虑到垂阳铁矿南部运输巷道及探矿洞离线位较近，设计时应考虑对南部运输巷道及探矿洞进行封堵、回填或注浆等整治措施，以确保线路安全。C1K方案目前距离小官庄310m，距谷家台1400m，距离满足要求，且地面塌陷已经基本完成，目前铁路可以安全通过。5结论和建议1)通过矿区地层层序、构造以及矿体开采深度的确定,综合计算采空区坍塌范围,2个方案线路基本避开了现有的采空区，但是考虑到安全廊道的可行性，CK方案需要立即和相关单位办理相关法律手续，禁止鲁中矿业在港里铁矿、垂阳铁矿在主巷南部进行采矿活动。2)C1K方案的矿区采矿已经停止，而且地面塌陷已经基本完成，较为安全；若采用CK方案，要考虑到垂阳铁矿南部运输巷道及探矿洞离线位较近，设计时应考虑对南部运输巷道及探矿洞进行封堵、回填或注浆等整治措施，以确保线路安全。【参考文献】[1]常允新张丽霞山东省莱芜市矿区地面沉降（塌陷）规律研究及防治报告[R]2011.06[2]王廷俊杜靓山西中南部铁路通道鲁矿集团段压覆矿产资源调查报告[R]2009.8[3]张劳恩郑州至焦作城际铁路云台山支线在煤矿区的工程地质选线铁道勘察2010年第六期【作者简介】刘银岩(1983—),男,工程师，2004年毕业于华中科技大学土木工程专业。TANSUOYANJIU/探索研究