阜六線霍邱鐵礦段穩定性評價及選線

李 程

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200333)

1 線路概況

1.1 線路位置

擬建阜六線從阜淮線上袁寨車站引出，主要有推薦線路CK(西Ⅱ線)和主要比較線路C1K(西Ⅰ線)兩個方案，礦區線路全長約40 km。

線路經過周集、吳集、周油坊、重新集等地的霍邱鐵礦園區，霍邱鐵礦區線路平面示意見圖1。

圖1 霍邱鐵礦區線路平面示意

1.2 礦區地質

霍邱鐵礦位于淮河以南的周集至高塘鎮，地處江淮波狀平原，地形總體呈現出波浪形，地勢有所起伏，地面高程一般在25～100 m，地貌單元主要為崗地和沖積平原相間，并夾有低山丘陵。

礦區太古界震旦系霍邱群周集組(Ar4z)及吳集組(Ar3w)巖漿巖為含礦巖系。

1.3 地質構造

(1)褶皺:區域褶皺表現為基底褶皺和蓋層褶皺。基底褶皺構造發生時間大約在25億年阜平運動。自西向東為:花園倒轉背斜、周集倒轉向斜、代店倒轉背斜。

(2)斷層:區域按走向大致歸納為下列四組。

北西或北西西向斷層;北東或北北東向斷層;近東西向斷層;早期斷裂發生在基底褶皺同期，相當阜平運動時期，主要發生在礦床中段，斷裂導致混合花崗巖貫入充填，走向南西傾向北西，傾角20°左右，且破壞了礦體的連續性。

2 礦區分布及鐵礦對線路的影響

2.1 礦區分布及開采情況

霍邱鐵礦區南北長32 km，東西寬3～8 km，面積160 km2，已知由大小13個礦床(點)組成，與阜六線西線方案有關的鐵礦如下。

(1)李樓鐵礦:安徽開發礦業有限公司，位于李樓村南，大型鐵礦。2003年開采，6個井口，其中3個主井，已開采。礦體長2.8 km，走向近南北，埋深-52～-862 m，主采礦藏厚約80～90 m，含鐵量60%左右。建有大型選礦廠。

一期開采-200 m，2006年前建成，傾向西，傾角65°～73°;二期開采 -680 m 以上，2010年建成，三期-800 m以上，遠期;-400 m以上傾向西，傾角65°～73°，-400 ～ -600 m 傾向東，傾角80°～85°。

(2)吳集南段鐵礦:安徽大昌礦產品經貿有限公司，大型鐵礦，共15個井口，9個主井，已開采，開采范圍南北8 km左右，東西寬150～600 m，平均寬300 m，礦體埋深42～402 m，相對高程0～-360 m。分上、中、下3個礦帶，以中下2個礦帶為主，每個礦帶有3個礦體，總體走向330°，傾向南西，局部反傾，受褶皺制約呈“S”形，傾角 30°～70°，以 50°居多。吳集南礦垂直線路走向地質剖面見圖2。

圖2 吳集南礦垂直線路走向地質剖面

(3)環山公司礦:位于吳集南鐵礦西側，原屬安徽大昌礦業公司，2006年建礦，4個井口，1主井1副井2風井，掘進深度百米左右，尚未達到開采深度，預計開采深度在-250 m。

2.2 鐵礦開采對鐵路線路的影響

根據走訪調查線路經過的李樓鐵礦、吳集南段鐵礦開采區處在正在開采階段，對線路方案的制定影響極大。

(1)李樓鐵礦:現已開采，推薦方案(CK59+800～CK60+500)、比較方案(C1K57+000～C1K61+800)穿過鐵礦開采區，礦體距在建高速公路最近處880 m，李樓鐵礦礦體距CK線、CⅠK最近處分別為760 m和940 m。

(2)吳集南段鐵礦:現已開采，線路方案穿過鐵礦勘探開采區，礦井距在建高速公路最近處約1600 m，不存在壓覆礦產資源和不安全隱患。

(3)環山公司礦:建礦階段，4個井口，尚未達到開采深度。推薦方案(CK62+100～CK66+200)、比較方案(C1K63+000～C1K65+600)穿過鐵礦勘探開采區，預計開采深-250 m。礦體距在建高速公路最近處780 m，距CK、C1K最近處分別為830 m和650 m。

線路方案距吳集南段鐵礦段可能塌陷、變形區超過400 m，影響不大。

線路方案經過的李樓、環山鐵礦開采區對線路方案的制定影響較大。

3 開采方法及可能塌陷區分布

李樓、環山鐵礦均采用豎井開采，設主井、副井和風井，沿走向采用分段崩落式開采，尾礦回填，天然巖脈做保安礦柱。天然頂板，工作面鼓風，大排量水泵抽排水。

經濟上比較合適的辦法是空場和崩落法。如果使用崩落法開采，將會使地表形成大面積采空塌陷。采空塌陷盆地的形成主要受以下幾方面的影響:開采層空間的分布、開采深度、厚度、傾角、松散層厚度、斷層構造、開采方式等等。開采深度大，地表移動持續時間長，地表破壞的強度較小;礦層開采厚度大，地表破壞的強度大。

根據各鐵礦礦層的分布特點對區域內因鐵礦開采礦石可能產生塌陷、變形進行計算，原省國土資源廳提供的鐵礦災害評價文件里已圈定了礦區可能塌陷區的分布范圍(圖1)。

阜六鐵路線路方案霍邱段沿高速公路兩側行進，初測階段對鐵礦開采影響線路的部分收集鐵礦的詳勘資料，實地測量既有礦井，分析其變形機理，劃分了可能塌陷區、可能變形區、基本穩定區、穩定區。

3.1 李樓鐵礦地表錯動范圍

李樓鐵礦根據巖石移動角65°及70°分別進行計算得出結論，地表塌陷范圍在設計東礦井、西礦井之間，既有6個井位東側300 m，西側300～600 m，并設置地表錯動范圍觀測線。

3.2 吳集南鐵礦可能塌陷區

霍邱縣吳集鐵礦(南段)礦層在空間的展布具有埋藏深，厚度大，屬于埋深大、覆蓋厚的礦床。礦體一般堅硬完整，裂隙不發育，穩固性較好。局部受構造作用影響，穩固比較差。礦體底板巖石裂隙不發育，巖石強度高，其穩固性較好。據《安徽大昌礦產品經貿有限公司吳集鐵礦采選設計方案》，按照礦床埋深、產狀，采用崩落法開采，巖石力學錯動角按65°，松散層錯動角按45°，一期工程開采至-400 m水平時，可能形成的地表錯動影響范圍約為1.80 km2，地表錯動影響范圍位于吳集街道一帶，距離高速公路、鐵路線路方案1 km以上，對鐵路線路無影響。

4 采空區穩定性評價

4.1 采空區變形破壞邊界的計算

根據采空變形的相關理論，對于急傾鐵礦采空區，其影響范圍按照圖3所示邊界進行計算，計算式如下

圖3 采空區變形破壞影響范圍

根據我國某些煤礦移動盆地有關數值表，參照經驗取值如下:第四系移動角φ取45°，巖層移動角取65°，對B—B'地質斷面采空區邊界值計算如下:L=H ctan65°+h ctan45°

根據吳集南礦地質斷面計算后L為442 m，即采空區以外影響范圍近440 m。

對李樓礦、環山礦采空區地質斷面分別進行計算，計算值L分別為400 m和310 m。

4.2 最大沉降深度的計算

根據國內推薦，首次充分采動情況下的最大下沉值計算式(非水平礦層時)

η0=q0h cosα

式中 h——礦層的法線厚度，m;

α——礦層的傾角，(°);

q0——充分采動情況下的下沉系數。

根據本線鐵礦采空的特點，以全面陷落(重復采動)下沉降系數參考數取經驗值，q0值取為0.50，采空厚度按 80 m考慮，傾角 70°，計算最大下沉值為13.7 m。

4.3 下沉時間與采掘深度的關系

國內外相關文獻介紹，移動盆地的下沉時間與開掘深度有關。根據表1介紹，一般情況下，停止開采一段時間后，沉降會終止，也就是說這時候會處于相對穩定的平衡狀態，在平衡未被重新打破時，應該是比較安全的。

表1 移動盆地的下沉時間與開掘深度的關系

5 穩定性分區

根據收集到的礦區詳勘地質剖面(1∶1 000)進行計算，鐵礦開采區為可能塌陷區，根據礦體勘探剖面投影劃定(圖4)。巖石、松散層地表移動帶為可能變形區，按巖石移動角65°、松散層移動角45°計算;鐵礦尾礦庫、采選區為基本穩定區;不受采礦影響的鐵礦勘探開采區為穩定區。

圖4 李樓礦區塌陷、變形范圍分區(單位:m)

6 選線建議

(1)各方案應繞避鐵礦可能塌陷區、可能變形區。

(2)推薦采用西Ⅱ方案(高速公路東側)，線路短，減少兩次跨既有高速公路工程。

(3)線路方案在李樓礦、吳集南段礦、環山礦段落臨近可能變形區，(西Ⅱ)線路方案距高速公路距離應在400 m以內。

(4)吳集南段鐵礦、李樓鐵礦、環山鐵礦段線路工程應采用以淺挖低填方式，避免采用大橋、高路堤、深路塹。

(5)車站須繞避李樓鐵礦、吳集南段鐵礦、環山鐵礦可能塌陷、變形段落。

［1］ 安徽開發礦業有限公司.李樓鐵礦的初步設計［Z］.中冶京誠工程設計有限公司，2006.

［2］ 安徽大昌礦產品經貿有限公司.吳集南鐵礦的設計資料［Z］.邯鄲:邯鄲礦冶工程設計有限公司，2006.

［3］ 安徽大昌礦產品經貿有限公司.吳集南礦地災評價報告［R］.合肥:安徽省地質環境監測總站，2006.

［4］ 霍邱環山礦業有限公司.環山鐵礦地質勘察報告［R］.合肥:安徽省地質礦產局313地質隊，2005.

［5］ 安徽省地質調查院.阜陽至六安高速公路沿線礦產資源分布及“壓覆礦產資源”調查評估報告［R］.安徽省地質調查院，2003.

［6］ 安徽省第二水文地質工程地質大隊.阜陽至六安高速公路地質災害危險性評估報告［R］.合肥:安徽省第二水文地質工程地質大隊，2003.