某石棉礦采空區(qū)對鐵路的穩(wěn)定影響分析

張津衛(wèi)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

某石棉礦采空區(qū)對鐵路的穩(wěn)定影響分析

張津衛(wèi)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

擬建鐵路線位穿越一個規(guī)模較大的石棉礦區(qū)，分析研究石棉礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、礦層分布深度和范圍以及開采方法等因素，選擇合理的計算模型和參數(shù)，確定石棉礦采空區(qū)的塌陷穩(wěn)定影響范圍及其對鐵路穩(wěn)定性的影響，從而確定線位和走向方案。

采空區(qū) 礦柱 塌陷邊界 影響范圍

1 概況

該石棉礦區(qū)位于大連經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的東北部，受斷裂構(gòu)造的影響，分為北礦和南礦，南北兩礦均為地下開采，南礦開采長度沿走向為4 000 m，北礦為1 450 m；南礦沿傾向采深為-450 m，地表影響帶寬度570 m，北礦沿傾向采深大約為-50 m，地表影響帶寬度約為170 m；采空區(qū)的影響面積南礦為2 km2，北礦約為0.9 km2。

2 線路方案與礦區(qū)位置關(guān)系

擬建鐵路在初測階段的貫通方案和兩個比較方案(高速公路北方案和高速公路南方案)均經(jīng)過石棉礦區(qū)，其中貫通方案和高速公路北方案距石棉北礦較近，高速公路南方案距石棉南礦較近(見圖1)。

圖1 線路方案與礦區(qū)關(guān)系

3 地形地貌及采空區(qū)微地貌

線路經(jīng)過地區(qū)為丘陵及丘間洼地，地形起伏較大，大部為城市居民住宅及廠房用地，地表坡殘積覆蓋層厚度0～40 m，局部地段基巖裸露。

該石棉礦采用地下開采方式，當(dāng)?shù)V層開采達到一定面積時，采空區(qū)上覆巖層原有的平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形和破壞，影響到地表則形成地表移動盆地。

4 地層及地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)上部地層主要為第四系沖洪積、坡洪積冰磧層，由含礫粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、碎石類土等組成，厚度0～40 m；下伏震旦系中統(tǒng)石灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，夾厚度約2.0 m的石棉礦層。

線路所經(jīng)地區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺的南部，總體較穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，但斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，主要有金州斷裂，是一條區(qū)域性大斷裂，斷裂帶寬度約15～50 m，表現(xiàn)為壓扭性，產(chǎn)狀190°∠50°，帶內(nèi)斷層泥發(fā)育，兩盤呈全風(fēng)化狀態(tài)。據(jù)大連地震小區(qū)劃資料，該斷裂在早更新世時有過劇烈活動，從中更新世以來沒有明顯活動性。礦區(qū)巖體呈近南北向展布，地層傾向近東，傾角20°～50°，斷層主要包括近SN向階梯斷層和近EW向橫斷層，傾角在14°～27°間，屬礦后斷層，將礦體切割成數(shù)段或造成無礦帶。

5 水文地質(zhì)概況

該區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，埋深一般較大，主要受大氣降水及海水補給，排泄方式以蒸發(fā)、向海洋排泄、礦井蔬干和人工開采為主。由于礦井蔬干，局部形成地下水漏斗。

6 礦產(chǎn)資源分布及開采情況

6.1 石棉礦資源分布

石棉北礦礦層產(chǎn)于輝綠巖的下盤，距巖體1.0～1.5 m，礦層為層狀，其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體沿走向控制長度1 900 m，受成礦后斷裂錯動破壞，被切割成四段。礦體沿傾向控制最大深度-50 m，礦體埋藏較淺，并有露頭出露。礦體傾角一般為15°～50°，礦體平均厚度2.0 m。

石棉南礦礦層也位于輝綠巖的下盤，距巖床1.0～1.5 m，共有兩個含礦層，其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體沿走向長5 200 m，工程控制4 300 m，沿傾向至高程-450 m尚未尖滅，礦體平均厚度1.98 m，礦體傾角一般在50°～80°之間，石棉為橫纖維復(fù)式脈，與脈石易分離。

6.2 開采情況

石棉北礦于1912年開始進行小規(guī)模露天開采，日偽時期停采，直到解放后才開始進行正規(guī)開采，歷時50年左右，于1960年因資源枯竭而停采閉坑。

石棉南礦于1958年進行小斜井的沿脈開采，采深到高程-100 m，采用的采礦方法為巷柱法，深部改為淺孔留礦法，1970年小斜井開采結(jié)束。1966年礦山開始擴建，開采總長度4 000 m，開采深度為高程-450 m。每50 m為一個中段，整個礦山共9個中段，每個中段采用脈內(nèi)外雙開拓。

7 地面塌陷情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及收集礦區(qū)資料，采空區(qū)范圍均不同程度地產(chǎn)生地面變形，垂直變形量達10 m，且隨著時間的推移垂直變形量不斷增加。伴隨著地表移動盆地的形成，會產(chǎn)生地面下沉、裂縫、傾斜水平位移等一系列變形現(xiàn)象，從而形成漏斗及沉陷盆地，開采較淺的已形成沉陷坑。

近期情況調(diào)查：金源南里小區(qū)在2007年發(fā)生過一次地面塌陷事故，塌陷坑直徑10 m左右，深12 m左右。發(fā)生塌陷處為石棉礦斜井井口處理不好導(dǎo)致的進口附近地層滑動造成；石棉北礦(在開發(fā)區(qū)一中2路公交站附近)也曾發(fā)生過小塌陷，發(fā)生時間較早，塌陷坑直徑3～4 m左右，深4 m左右。

8 預(yù)留礦柱及塌陷邊界計算

8.1 計算方法

線路在采空區(qū)之外穿越石棉礦，單側(cè)預(yù)留石棉礦柱寬度(L)的計算公式為

L=L1+L2+L3ctgα1+L4ctgα2

計算模型見圖2。

注：L1為路基結(jié)構(gòu)半幅寬；L2為維護帶寬度；L3為土層厚度；L4為巖層厚度；α1為土層移動角；α2為巖層移動角。

8.2 安全保護石棉礦柱計算

(1)方法1

L1：路基結(jié)構(gòu)半幅寬按15 m考慮；

L2：維護帶寬度取20 m；

L3：土層厚度取40 m；

L4：石棉北礦采空區(qū)底板高程為-50 m，地面高程80 m，巖層厚度為90 m；

石棉南礦石采空區(qū)底板高程為-450 m，地面高程為80 m，巖層厚度為490 m。

α1：土層移動角取45°；

α2：巖層移動角45°。

石棉北礦：L=15+20+40ctg45+80ctg45=163 m

石棉南礦：L=15+20+40ctg45+490ctg45=565 m

(2)方法2

L1：路基結(jié)構(gòu)半幅寬按15 m考慮；

L2：維護帶寬度取20 m；

L3：土層厚度取40 m；

L4：石棉北礦采空區(qū)底板高程為-50 m，地面高程為80 m，巖層厚度為90 m；

石棉南礦石采空區(qū)底板高程為-450 m，地面高程為80 m，巖層厚度為490 m.。

α1：土層移動角取45°；

α2：巖層移動角55°。

石棉北礦：L=15+20+40ctg45+80ctg55=131 m

石棉南礦：L=15+20+40ctg45+490ctg55=418 m

9 結(jié)論

通過對礦區(qū)影響邊界計算，得出原貫通方案(CK41+500～CK44+000)、高速公路北方案(CIK41+700～CIK44+200)、高速公路南方案(CIIK38+100～CIIK40+900)均經(jīng)過該石棉北礦和南礦的采空及其塌陷范圍，該礦的采空區(qū)范圍及開采巷道布置和地面變形等因素對線路穩(wěn)定性有較大影響。

部分線路穿越石棉北礦的采空區(qū)域，其余則穿越石棉南、北礦的塌陷影響范圍，屬地質(zhì)災(zāi)害中等發(fā)育區(qū)。由于南礦開采深度深，開采深度為高程-450 m，采空區(qū)處理難度較大，因此建議線路繞避采空區(qū)，以滿足其安全要求。

[1] 鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[2] 鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10027—2001鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[3] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].北京：中國建筑出版社，2005

[4] 鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

AnalysisoftheImpactofAAsbestosgGoafontheStabilizationoftheRailway

ZHANG Jin-wei

2014-06-24

張津衛(wèi)(1965—)，男，助理工程師。

1672-7479(2014)05-0058-02

P642

： A