蒙華鐵路石膏礦采空區穩定性評價

摘 要： 研究目的：本文結合蒙華鐵路石膏礦采空區工程地質勘察，通過對采空區工程地質勘察方法和穩定性評價方法的研究，探討采空區穩定性及其對鐵路工程的影響，為鐵路建設的場地適宜性提供科學依據，為類似工程提供參考。研究結論：采空區工程地質勘察采用地質調繪、資料收集、調查訪問、物探探測、機動鉆探等相結合的綜合勘探手段，查明線路沿線采空區的詳細開采情況；并根據綜合勘察成果，采用鐵路工程保護礦柱的設計方法，確定安全邊界范圍，綜合評價采空區的穩定性及其對鐵路工程的影響。

關 鍵 詞：石膏礦采空區；高頻大地電磁測深法；保護礦柱法；移動盆地邊界

中圖分類號：U212.22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（4）-0000-00

1 引言

近年來，隨著鐵路工程建設的飛速發展及礦產資源的不斷開發，許多鐵路項目無法完全繞避采空區。采空區已經成為影響鐵路方案選擇的重要不良地質因素[1]，因此必須查明線路沿線采空區的詳細開采情況，確定其影響范圍，綜合評價采空區的穩定性，為鐵路建設的場地適宜性提供科學依據。

蒙西至華中地區鐵路煤運通道岳陽至吉安段，線路DK1546+300～DK1548+800段從湖南平江青山石膏礦（已停采）采空區右側通過。為了詳細查明石膏礦采空區的邊界范圍及其與線路的關系，采空區工程地質勘察采用地質調繪、資料收集、調查訪問、物探探測、機動鉆探等相結合的綜合勘探手段。

通過綜合勘探方法取得的成果，采用鐵路保護礦柱的設計方法確定移動盆地邊界范圍，評價采空區穩定性及其對鐵路工程的影響。

2 采空區工程地質概況

2.1 采空區概況

湖南省平江縣青山石膏礦位于湖南省岳陽市平江縣安定鎮梅塘村境內，礦區屬于高階地崗地及坳谷區，地勢略有起伏，自然坡度約5～10°左右，標高在101～138m左右，崗地上植被發育，灌木叢生，坳谷局部分布小水庫和水塘。

整個采空區呈近似梯形狀。

2.2 地層巖性

礦區內崗地區表層主要為Q3al粉質黏土：褐黃色，硬塑，含礫石約15%，粒徑2-10mm，棱角狀，厚約2～3m；表層下部為Q3al粗圓礫土：雜色，稍密～中密，潮濕～飽和，圓礫含量約占55%，圓棱狀，母巖成分多為砂巖，充填約30～45%黏性土及砂類土，厚約1.0～5.6m；坳谷區表層為Q4pl+dl粉質黏土：褐黃色，軟～硬塑，厚度1～3m；下伏白堊系上統戴家坪組（K2d）鈣泥質粉砂巖，棕紅色，全～弱風化，其中全風化層厚度2～8 m，強風化層厚度8～15m，巖層產狀303o～338o∠7o～8o。

本石膏礦產出于白堊系上統戴家坪組第二段（K2d2）鈣泥質粉砂巖上部。

2.3 地質構造

礦區位于新華夏系、華夏系構造形成的斷陷紅色構造盆地內，礦區附近無較大的地質構造；根據物探成果推測目前線位和礦區之間發育一條小型斷層，斷層傾向W向，斷層性質不明。

2.4 水文地質

礦區地表水較發育，低洼處分布較多小水庫和水塘。地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，不發育，礦區巖性主要為鈣泥質粉砂巖，富水性較弱，基本可視為隔水層。

3 采空區開采情況

3.1 礦體基本情況

平江縣青山石膏礦開采范圍南北長約2.5km，東西長大于1.3km，石膏礦產出于白堊系上統戴家坪組第二段（K2d2）鈣泥質粉砂巖上部，開采礦層厚度約1.5～2米，巖層產狀303o～338o∠7o～8o，開采深度為地面垂直以下100至150米。

3.2 采空區開采方式

本石膏礦共有3個開采井，3#井與2#井連通，2#井與1#井連通，開采深度為地面垂直以下100至150米（調查）；開采礦層厚度約1.5～2米；礦區開采方式為成片開采，開采礦層留有保護柱，并用礦渣回填礦井。

據當地村民口述礦區曾與60、70年代及90年代發生過地面下沉、采空區塌陷事件。據現場調查，安定鎮浮潭村（DK1547+700～+800左側520m附近）部分老式房屋及水田于7、8年前出現過裂縫，近年來無變形現象；根據岳陽市國土資源局地質災害防治規劃，平江縣安定鎮浮壇村上垅組存在采空塌陷危害，危及房屋30間人口100余人。

4 采空區工程地質勘察

4.1 資料收集及調查訪問

在石膏礦采空區的鐵路勘察過程中，首先充分收集了既有資料，主要包括：區域地質資料、礦山地質勘察報告、礦產資源規劃、分布資料、巷道設計等相關圖件及資料。此外，本次采空區工程地質勘查還訪問了原平江縣石膏礦廠廠長、技術人員以及大量當地村民。

通過資料收集和調查訪問，初步確定了平江石膏礦采空區最大開采范圍（現場GPS測量）及主要采空范圍。平江石膏礦礦區邊界拐點坐標如表1所示。

4.2 物理勘探

從收集的既有資料基礎上分析，不排除有部分采空區域、巷道情況未調查清楚的可能，為進一步確認采空區的范圍，采用高頻大地電磁測深法（EH-4）對采空區關鍵、重點地段進行剖面勘探[2]，判斷覆蓋層厚度、可能的采空位置。

沿線路方向布置2條共0.95kmEH-4測線，沿垂直線路方向布置1條共0. 5kmEH-4測線。測線布置如圖1所示。

物探結果表明該段地下巖性較為復雜，共有九處明顯的物探低阻區，主要位于DK1547+410～DK1547+650左側450m及DK1547+620左側520m～DK1547+620左側430m范圍內，與調查訪問原石膏礦廠長確定的最大開采范圍基本吻合；物探探測最大采深為215m，位于DK1547+500左側475m。另外線路附近發育的一條傾向為W向的斷層在EH-4測線2上也有所體現。

5 采空區的穩定性評價

5.1 移動盆地邊界范圍確定

線路DK1546+300～DK1548+800段主要以路基形式通過，局部以橋梁形式通過，離采空區最近的DK1547+700處的軌面標高為109.7m，線路走向近南北向。采空區位于線路左側，線路距礦區最大開采范圍邊界最近距離約為432m。

石膏礦產出于白堊系上統戴家坪組第二段（K2d2）鈣泥質粉砂巖上部，巖層產狀303o～338o∠7o～8o，受區域構造影響，傾角變化較大，開采礦層厚度約1.5～2米，開采深度為埋深100至150米（調查），物探探測最大采深215m。通過目前搜集到的資料，綜合考慮，傾角取平均值α=15°。

移動參數選取及計算方法參考《鐵路工程地質手冊》（2005年修訂版）[3]及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[4]。

采用保護礦柱的方法來計算移動盆地[5]邊界范圍，根據礦層傾角、采厚及采深，參考《鐵路工程地質手冊》（2005年修訂版）表4-5-8，采用類比法，選取走向移動角δ=78°，上山移動角γ=72°，下山移動角β=78-0.7α=67.5°。

鐵路此處以路基形式通過，需要考慮在線路邊坡外再加20m圍護帶寬度。按最不利情況考慮，即線路距礦區采礦權邊界最近距離約為432m，取采深取埋深215m。由于巖層傾向北西向，線路位于采空區西側，按最不利情況考慮取沿著礦層傾向下山方向的邊界角β0=54.75°來計算，可以得出線路距離移動盆地最近距離為260m，見圖2所示。

5.2 對鐵路工程影響評價

通過采用保護礦柱的方法來計算移動盆地的安全邊界[6]，按最不利邊界條件開采考慮，即按最大開采邊界開采至地面以下215m時，距預測采空區移動盆地邊界最小距離為260m，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》來判定，采空區對目前線位無影響。

6 結論與建議

（1）采空區對鐵路工程穩定性具有重要影響，需采用綜合工程地質勘察方法。通過地質調繪、資料收集及調查訪問，同時結合高頻大地電磁測深法（EH-4）和其它必要的工程手段，相互驗證，相互補充，綜合確定采空區邊界范圍。

（2）鐵路線位距離平江石膏礦采空區移動盆地邊界260m，采空區不會對目前的線位構成威脅。從安全考慮，為了確保鐵路施工及運營安全，建議嚴格控制該石膏礦復采及向線路方向擴界，避免越界開采現象。

參 考 文 獻

[1]劉熙，張昆，李曉凡. 鐵路穿越小型采空區穩定性的評價方法研究[J]. 鐵道工程學報，2012（12）：32-35.

[2]潘瑞林.采空區物探方法新探 [J]. 鐵道勘察，2010（6）：0023-0025.

[3]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[K].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[5]韓康，陳德君.采空區移動盆地評價的探討[J].高速鐵路技術，2011（8）：0044-0046.

[6]李國和，李桂芳.采空區鐵路工程地質選線研究[J].鐵道工程學報，2012（10），10：0015-0020.