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        某石棉礦采空區(qū)對(duì)鐵路的穩(wěn)定影響分析

        2014-07-25 11:29:01張津衛(wèi)
        鐵道勘察 2014年5期
        關(guān)鍵詞:石棉礦層采空區(qū)

        張津衛(wèi)

        (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        某石棉礦采空區(qū)對(duì)鐵路的穩(wěn)定影響分析

        張津衛(wèi)

        (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        擬建鐵路線位穿越一個(gè)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(kāi)采方法等因素,選擇合理的計(jì)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(duì)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(jì)技術(shù)開(kāi)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(kāi)采,南礦開(kāi)采長(zhǎng)度沿走向?yàn)? 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(cè)階段的貫通方案和兩個(gè)比較方案(高速公路北方案和高速公路南方案)均經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guò)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(kāi)采方式,當(dāng)?shù)V層開(kāi)采達(dá)到一定面積時(shí),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(dòng)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(tái)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(pán)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(shí)有過(guò)劇烈活動(dòng),從中更新世以來(lái)沒(méi)有明顯活動(dòng)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(wú)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(bǔ)給,排泄方式以蒸發(fā)、向海洋排泄、礦井蔬干和人工開(kāi)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(kāi)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(pán),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(zhǎng)度1 900 m,受成礦后斷裂錯(cuò)動(dòng)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(pán),距巖床1.0~1.5 m,共有兩個(gè)含礦層,其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體沿走向長(zhǎng)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(kāi)采情況

        石棉北礦于1912年開(kāi)始進(jìn)行小規(guī)模露天開(kāi)采,日偽時(shí)期停采,直到解放后才開(kāi)始進(jìn)行正規(guī)開(kāi)采,歷時(shí)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(jìn)行小斜井的沿脈開(kāi)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(kāi)采結(jié)束。1966年礦山開(kāi)始擴(kuò)建,開(kāi)采總長(zhǎng)度4 000 m,開(kāi)采深度為高程-450 m。每50 m為一個(gè)中段,整個(gè)礦山共9個(gè)中段,每個(gè)中段采用脈內(nèi)外雙開(kāi)拓。

        7 地面塌陷情況

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)10 m,且隨著時(shí)間的推移垂直變形量不斷增加。伴隨著地表移動(dòng)盆地的形成,會(huì)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(kāi)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(guò)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(jìn)口附近地層滑動(dòng)造成;石棉北礦(在開(kāi)發(fā)區(qū)一中2路公交站附近)也曾發(fā)生過(guò)小塌陷,發(fā)生時(shí)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(jì)算

        8.1 計(jì)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(jì)算公式為

        L=L1+L2+L3ctgα1+L4ctgα2

        計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

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

        8.2 安全保護(hù)石棉礦柱計(jì)算

        (1)方法1

        L1:路基結(jié)構(gòu)半幅寬按15 m考慮;

        L2:維護(hù)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(dòng)角取45°;

        α2:巖層移動(dòng)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(hù)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(dòng)角取45°;

        α2:巖層移動(dòng)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(guò)對(duì)礦區(qū)影響邊界計(jì)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(guò)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(kāi)采巷道布置和地面變形等因素對(duì)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(kāi)采深度深,開(kāi)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(guó)鐵道出版社,2007

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

        [3] 林宗元.巖土工程治理手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑出版社,2005

        [4] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)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

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