某石棉矿采空区对铁路的稳定影响分析

张津卫

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

某石棉矿采空区对铁路的稳定影响分析

张津卫

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

拟建铁路线位穿越一个规模较大的石棉矿区，分析研究石棉矿区的地层结构、矿层分布深度和范围以及开采方法等因素，选择合理的计算模型和参数，确定石棉矿采空区的塌陷稳定影响范围及其对铁路稳定性的影响，从而确定线位和走向方案。

采空区 矿柱 塌陷边界 影响范围

1 概况

该石棉矿区位于大连经济技术开发区的东北部，受断裂构造的影响，分为北矿和南矿，南北两矿均为地下开采，南矿开采长度沿走向为4 000 m，北矿为1 450 m；南矿沿倾向采深为-450 m，地表影响带宽度570 m，北矿沿倾向采深大约为-50 m，地表影响带宽度约为170 m；采空区的影响面积南矿为2 km2，北矿约为0.9 km2。

2 线路方案与矿区位置关系

拟建铁路在初测阶段的贯通方案和两个比较方案(高速公路北方案和高速公路南方案)均经过石棉矿区，其中贯通方案和高速公路北方案距石棉北矿较近，高速公路南方案距石棉南矿较近(见图1)。

图1 线路方案与矿区关系

3 地形地貌及采空区微地貌

线路经过地区为丘陵及丘间洼地，地形起伏较大，大部为城市居民住宅及厂房用地，地表坡残积覆盖层厚度0～40 m，局部地段基岩裸露。

该石棉矿采用地下开采方式，当矿层开采达到一定面积时，采空区上覆岩层原有的平衡状态被打破，产生冒落、断裂和弯曲等一系列变形和破坏，影响到地表则形成地表移动盆地。

4 地层及地质构造

本区上部地层主要为第四系冲洪积、坡洪积冰碛层，由含砾粉质黏土、淤泥质粉质黏土、碎石类土等组成，厚度0～40 m；下伏震旦系中统石灰岩、泥灰岩及白云质灰岩，夹厚度约2.0 m的石棉矿层。

线路所经地区位于中朝准地台的南部，总体较稳定，区内褶皱不发育，但断裂构造十分发育，主要有金州断裂，是一条区域性大断裂，断裂带宽度约15～50 m，表现为压扭性，产状190°∠50°，带内断层泥发育，两盘呈全风化状态。据大连地震小区划资料，该断裂在早更新世时有过剧烈活动，从中更新世以来没有明显活动性。矿区岩体呈近南北向展布，地层倾向近东，倾角20°～50°，断层主要包括近SN向阶梯断层和近EW向横断层，倾角在14°～27°间，属矿后断层，将矿体切割成数段或造成无矿带。

5 水文地质概况

该区地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，埋深一般较大，主要受大气降水及海水补给，排泄方式以蒸发、向海洋排泄、矿井蔬干和人工开采为主。由于矿井蔬干，局部形成地下水漏斗。

6 矿产资源分布及开采情况

6.1 石棉矿资源分布

石棉北矿矿层产于辉绿岩的下盘，距岩体1.0～1.5 m，矿层为层状，其产状与围岩一致。矿体沿走向控制长度1 900 m，受成矿后断裂错动破坏，被切割成四段。矿体沿倾向控制最大深度-50 m，矿体埋藏较浅，并有露头出露。矿体倾角一般为15°～50°，矿体平均厚度2.0 m。

石棉南矿矿层也位于辉绿岩的下盘，距岩床1.0～1.5 m，共有两个含矿层，其产状与围岩一致。矿体沿走向长5 200 m，工程控制4 300 m，沿倾向至高程-450 m尚未尖灭，矿体平均厚度1.98 m，矿体倾角一般在50°～80°之间，石棉为横纤维复式脉，与脉石易分离。

6.2 开采情况

石棉北矿于1912年开始进行小规模露天开采，日伪时期停采，直到解放后才开始进行正规开采，历时50年左右，于1960年因资源枯竭而停采闭坑。

石棉南矿于1958年进行小斜井的沿脉开采，采深到高程-100 m，采用的采矿方法为巷柱法，深部改为浅孔留矿法，1970年小斜井开采结束。1966年矿山开始扩建，开采总长度4 000 m，开采深度为高程-450 m。每50 m为一个中段，整个矿山共9个中段，每个中段采用脉内外双开拓。

7 地面塌陷情况

根据现场调查及收集矿区资料，采空区范围均不同程度地产生地面变形，垂直变形量达10 m，且随着时间的推移垂直变形量不断增加。伴随着地表移动盆地的形成，会产生地面下沉、裂缝、倾斜水平位移等一系列变形现象，从而形成漏斗及沉陷盆地，开采较浅的已形成沉陷坑。

近期情况调查：金源南里小区在2007年发生过一次地面塌陷事故，塌陷坑直径10 m左右，深12 m左右。发生塌陷处为石棉矿斜井井口处理不好导致的进口附近地层滑动造成；石棉北矿(在开发区一中2路公交站附近)也曾发生过小塌陷，发生时间较早，塌陷坑直径3～4 m左右，深4 m左右。

8 预留矿柱及塌陷边界计算

8.1 计算方法

线路在采空区之外穿越石棉矿，单侧预留石棉矿柱宽度(L)的计算公式为

L=L1+L2+L3ctgα1+L4ctgα2

计算模型见图2。

注：L1为路基结构半幅宽；L2为维护带宽度；L3为土层厚度；L4为岩层厚度；α1为土层移动角；α2为岩层移动角。

8.2 安全保护石棉矿柱计算

(1)方法1

L1：路基结构半幅宽按15 m考虑；

L2：维护带宽度取20 m；

L3：土层厚度取40 m；

L4：石棉北矿采空区底板高程为-50 m，地面高程80 m，岩层厚度为90 m；

石棉南矿石采空区底板高程为-450 m，地面高程为80 m，岩层厚度为490 m。

α1：土层移动角取45°；

α2：岩层移动角45°。

石棉北矿：L=15+20+40ctg45+80ctg45=163 m

石棉南矿：L=15+20+40ctg45+490ctg45=565 m

(2)方法2

L1：路基结构半幅宽按15 m考虑；

L2：维护带宽度取20 m；

L3：土层厚度取40 m；

L4：石棉北矿采空区底板高程为-50 m，地面高程为80 m，岩层厚度为90 m；

石棉南矿石采空区底板高程为-450 m，地面高程为80 m，岩层厚度为490 m.。

α1：土层移动角取45°；

α2：岩层移动角55°。

石棉北矿：L=15+20+40ctg45+80ctg55=131 m

石棉南矿：L=15+20+40ctg45+490ctg55=418 m

9 结论

通过对矿区影响边界计算，得出原贯通方案(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)均经过该石棉北矿和南矿的采空及其塌陷范围，该矿的采空区范围及开采巷道布置和地面变形等因素对线路稳定性有较大影响。

部分线路穿越石棉北矿的采空区域，其余则穿越石棉南、北矿的塌陷影响范围，属地质灾害中等发育区。由于南矿开采深度深，开采深度为高程-450 m，采空区处理难度较大，因此建议线路绕避采空区，以满足其安全要求。

[1] 铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007

[2] 铁道第二勘察设计院.TB10027—2001铁路工程不良地质勘察规程[S].北京：中国铁道出版社，2001

[3] 林宗元.岩土工程治理手册[M].北京：中国建筑出版社，2005

[4] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999

AnalysisoftheImpactofAAsbestosgGoafontheStabilizationoftheRailway

ZHANG Jin-wei

2014-06-24

张津卫(1965—)，男，助理工程师。

1672-7479(2014)05-0058-02

P642

： A