某新建高速铁路铁矿采空区工程地质选线分析

郭绍平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Engineering Geological Route Selection of a New High Speed Railway in Iron Mine goaf

GUO Shaoping

某新建高速铁路铁矿采空区工程地质选线分析

郭绍平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Engineering Geological Route Selection of a New High Speed Railway in Iron Mine goaf

GUO Shaoping

摘要某新建高速铁路通过杨家庄铁矿及戴家官庄洪秋铁矿采空区段，在分析既有资料的基础上，采用工程地质调绘、物探、钻探等综合勘察方法，查明了矿区地质条件及开采现状，计算采空区坍塌影响范围，确定线路通过采空区方案。

关键词高速铁路铁矿采空区工程地质选线

1概述

某新建高速铁路位于冲洪积平原区，地形平缓，局部为低山丘陵，地形起伏较大，地质条件较复杂。沿线分布煤矿、铁矿及硬质黏土矿采空区，对线路方案影响较大。

线路DK212～DK237段并行于既有高速公路北侧，于DK222～DK223处临近杨家庄铁矿及戴家官庄洪秋铁矿，两矿区之间相距不足800 m，形成一条狭窄的咽喉通道区(见图1)。杨家庄铁矿及戴家官庄洪秋铁矿属于正在开采或经过批准计划开采的矿区，原则上线路应尽量绕避，且宜设置在采空区塌陷影响区范围外一定距离。线路方案若选择北绕杨家庄铁矿，不但使得铁路展线大大延长，增大拆迁面积，工程投资大大增加，同时致使DK219处线路北移不可避免正穿赶仙庄铁矿矿区；若选择南绕戴家官庄洪秋铁矿则不但大幅增加线路长度，且需多次跨越现有高速公路；选择在两矿区之间穿过时线路长度最短，拆迁面积最小，经济上最合理。因此，线路能否在两矿区之间安全通过成为此处工程地质选线的关键。

2矿区地质条件及开采现状

通过资料收集、现场调查、访问及物探钻探等方法，对采空区地层岩性、矿体分布特征及开采情况等进行详细勘察，查明采空区的矿区地质条件及开采现状。

2.1　杨家庄铁矿

(1)矿区地质

矿区地表为第四系所覆盖，厚度2.0～10.0 m，下伏下元古界粉子山群小宋组，主要岩性为黑云变粒岩、黑云片岩、斜长角闪岩等。

(2)矿体地质特征

矿区外围共圈定Ⅰ、Ⅱ号2个铁矿体，其中Ⅰ号矿体为主矿体，主要赋存于下元古界粉子山群黑云片岩中，围岩为黑云变粒岩。矿体走向40°，倾向130°，倾角20°，矿体赋存高程-46.0～-120.0 m之间，埋深71.0～145.0 m，矿体厚1.36～15.64 m。Ⅱ号矿体主要赋存于下元古界粉子山群黑云片岩中，围岩为黑云变粒岩。矿体走向40°，倾向130°，倾角20°，矿体赋存高程-70.0～-100.0 m，矿体埋深95.0～125.0 m，矿体厚2.72～7.48 m。

(3)开采情况

山东省国土资源厅于2011年3月7日颁发了采矿许可证，开采深度由19.0 m至-138.0 m。后因其他矿区发生透水事故导致附近矿区停闭，因此区内并未大规模开采，只完成部分竖井与巷道工程。

2.2　戴家官庄洪秋铁矿

(1)矿区地质

矿区地表为第四系所覆盖，厚度1.2～28.0 m，矿区内由南向北逐渐变厚，下伏下元古界荆山群、粉子山群。荆山群主要岩性为厚层状蛇纹大理岩、斜长角闪岩等，倾向南东，倾角40°～49°；粉子山群出露主要为小宋组，岩性主要为黑云变粒岩、斜长角闪岩等。

(2)矿体地质特征

矿区铁矿层主要有三个层位，矿体走向0～55°，平均30°，倾向南东，倾角68～75°，矿体厚度1.67～3.79 m，平均2.67 m。下部层位为Ⅰ矿层，内有Ⅰ矿体，岩性组合为磁铁黑云变粒岩、磁铁黑云斜长片麻岩，矿层厚度1.23～9.09 m，最大埋深449 m；Ⅰ矿层上部为Ⅱ矿层，内有Ⅱ-1、Ⅱ-2两个矿体，岩性组合为磁铁含石榴黑云变粒岩、磁铁黑云变粒岩等，最大埋深190 m，Ⅱ-1矿体厚度1.54～3.19 m，Ⅱ-2矿体厚度1.03～3.53 m；上部为Ⅲ矿层，内有Ⅲ号矿体，矿体埋藏较浅，分布区域较小，层厚1.22～2.55 m。

(3)开采情况

铁矿始建于上世纪70年代，当地村民先后用露天采矿方式采出浅部少量矿体，2003年后采用浅孔留矿法、房柱采矿法陆续开采，2009年后完成了竖井和部分巷道工程，开采-100 m水平以上浅部矿体。2010年8月山东省国土资源厅批复开采高程自24 m 至-419.79 m。

3地质选线分析

3.1　采空区边界确定

(1)资料收集

人为坑洞地段工程地质调绘应充分搜集相关政府主管部门的矿产资源规划资料，相关矿区及人工开凿的各种坑道和洞穴等资料。在未出现越界开采及私挖乱采的情况下，可考虑矿界为采空区边界，矿界由矿区拐点坐标确定。通过收集杨家庄铁矿及戴家官庄洪秋铁矿采矿许可证，获得其矿区拐点坐标，确定了其矿区开采边界(见图1)。

(2)物探及钻探验证

对地下采空区而言，无资料可查的历史开采以及越界开采、私挖乱采等是最大的安全隐患，在调查访问的基础上，物探是人为坑洞地段工程勘察的重要手段。勘测过程中采用浅层地震反射法和氡气测量法进行工作，共完成氡气测量物理点1 030个，浅层地震反射测线4条，共发现四处采空区异常(见图2)，其中WT-1位于杨家庄铁矿西边界外侧，WT-2、WT-3、WT-4位于戴家官庄洪秋铁矿北边界附近，四处采空区异常范围均较小。

综合调查收集资料及物探结果，对距离线位较近的杨家庄铁矿，沿矿界南侧边界方向布置四个深孔钻探进行验证，未发现越界开采情况。

3.2　采空区对铁路选线影响

戴家官庄洪秋铁矿位于线位南侧，中间隔有既有高速公路，矿界离线位最近距离446 m，矿区北部只开采过少量浅层矿体，未进行深层开采，物探仅在北矿界附近发现三处采空区异常，但范围均较小，物探推测采空区边界距线位425 m；杨家庄铁矿位于线路北侧，矿界距线位最近192 m，矿区内只完成部分巷道和基建工作，并未大规模开采，物探结果显示矿区西边界存在小范围采空异常，深孔钻探未发现采空区存在。目前两家铁矿对铁路影响均较小，如采取控采措施，风险可控。

采空区选线安全距离计算：

安全距离计算公式为

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

式中L——围护带宽度/m；

H1——松散层厚度/m；

H2——顶板以上基岩厚度/m；

φ——松散层塌陷扩散角/(°)；

δ——岩体塌陷扩散角或岩移角/(°)。

按最不利因素考虑，本区第四系土层塌陷扩散角采用45°，根据地区经验岩石采用60°，围护带宽度为20 m。

杨家庄铁矿区第四系土层厚10 m，顶板以上基岩厚135 m，其安全距离为：M=20+10×cot45°+135×cot60°=108 m。采空区边界(矿界)距线位最近192 m，大于安全距离。

戴家官庄洪秋铁矿区第四系土层厚28 m，顶板以上基岩厚421 m，其安全距离为：M=20+28×cot45°+421×cot60°=291 m。采空边界按物探推测结果，距线位最近425 m，大于安全距离。

根据以上计算结果得出采空区塌陷影响边界线(见图3)，可见铁路线位均位于边界以外。综上分析，线路选择在杨家庄铁矿与戴家官庄洪秋铁矿之间通过方案可行。

4结论

采空区工程地质选线是铁路工程地质勘察中的重点工作。在勘测过程中，采用收集资料、访问调查、物探及钻探等综合勘察方法，查明杨家庄铁矿及戴家官庄洪秋铁矿矿区分布范围，确定了矿区开采影响边界。在三条可选方案中，北绕杨家庄铁矿方案及南绕戴家官庄洪秋铁矿方案均比中间穿过方案线路增长，拆迁面积增大，技术难度增加，中间方案在经济及技术上最为合理。经综合分析及计算，铁路在杨家庄铁矿及戴家官庄铁矿之间穿过满足地质安全距离要求，方案可行。因铁矿尚未大规模开采，在后期铁路运营特别是铁矿开采期间，需做好沉降观测，排除安全隐患。

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中图分类号：U212.22

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)05-0034-03

作者简介：郭绍平(1988—)，2014年6月毕业于中科院成都山地灾害与环境研究所防灾减灾工程及防护工程专业，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-06-25