杨文东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京　100055)



山西中南部铁路莱芜绕避采空区改线方案研究

杨文东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京100055)

摘要：山西中南部铁路线路穿越莱芜矿区,由于垂杨铁矿非法向铁路方向开采,导致铁路线路走行在采空区影响区内,存在重大安全隐患。在广泛收集并消化吸收莱芜矿区及区域地表移动规律资料的基础上,结合本地区矿床赋存条件、地质构造和开采方式等因素,按工程地质类比法,采用地面塌陷移动角的方法,找出安全可靠的铁路廊道通过矿区。通过方案比选,推荐满足铁路运营安全,符合城市规划布局,绕避了港里村等重大拆迁工程,工程可实施性较强的沿汇合大道方案。矿区铁路可采用地面塌陷移动角的方法进行铁路选线,可有效缩短铁路安全廊道的距离,大大减少压覆矿藏的数量,对矿区铁路选线有一定指导价值。

关键词：铁路选线； 采空区； 方案比选

1概述

山西中南部铁路通道地处华北南部，西起山西吕梁，东至山东日照港，衔接南北向京广、京九、京沪铁路等主要干线，形成一条新的“西煤东运”的能源运输通道，也是我国东西向路网干线铁路之一，对我国国民经济发展具有重要的能源安全保障作用。线路先后翻越吕梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途经山西、河南、山东3省11地级市，线路全长1 260 km，是我国第一条采用30 t轴重建设牵引万吨的双线电气化重载铁路。

2自然特征

2.1地形地貌

线路经过区域为莱芜盆地，北、东、南三面环山，中间低平，西部开阔，地势由东向西倾斜，北、东、南三面向中部倾斜。外形南缓北陡，向北突出，呈盆地状。盆地北部为泰山余脉，走向近东西，自西向东有香山(918.7 m)、大山(823.6 m)等，南部有莲花山(994.0 m)、新甫山(925.4 m)等与泰山山脉大致平行，皆为山势陡峻、沟谷发育、切割强烈的中低山区。中部为低缓的山间平原，高程150～200 m。

2.2工程地质

线路途经矿区主要构造为矿山背斜，矿山背斜位于莱芜城西北，大部分隐伏于第三系之下，中部凸起呈残丘地形。其走向南部为EW、中部为NE、北部为NNE。背斜中部隆起，两端向北和南西倾没，长8～9 km，宽5 km。核部为燕山期闪长岩，两翼为中奥陶系、石炭系。该背斜对莱芜铁矿的形成起着控制性的作用，较大的矿床常位于背斜核部的矿山岩体向内凹陷部位或背斜之倾没端，Ⅰ矿床(小官庄矿)位于背斜近倾没处的东翼，Ⅱ矿床(张家洼矿)则位于西翼，Ⅲ矿床(港里矿)位于倾没端。

线路途经矿区为新生界第四系堆积物掩盖，局部第三系出露于地表。从新到老依次为：第四系松散堆积物、第三系半胶结砂拟岩、石炭系砂页岩、奥陶系灰岩，底部为燕山期闪长岩体，中奥陶系灰岩(或大理岩)及石炭地层呈环带状分布在闪长岩体周围。闪长岩侵入，产生了不同程度热变质，矽卡岩化或矿化热液蚀变。灰岩多变为大理岩，砂页岩多变为变质砂岩、角岩、板岩，常迭加有矽卡岩化或矿化热液蚀变。第三系与下伏古生代地层呈不整合接触。其走向近于北东，倾向北西，倾角一般为10°～20°。

采空区主要地层第三系砾岩、黏土质砂岩、矽卡岩和蚀变闪长岩。

2.3水文地质

线路途径矿区属矿山水文地质单元，受矿山背斜控制，位于石门官—沙王庄断裂以北，矿山背斜两翼，中奥陶统灰岩(大理岩)隐伏于第四系、第三系地层之下，矿山背斜核部闪长岩石为隔水体，背斜两翼大理岩水力联系微弱，大理岩外围石炭二叠地层为隔水边界。

地下水补给源有地下径流、大气降水及孔隙水，北部及矿山岩体周围尚受裂隙水补给。地下水径流主要在八里沟一带通过次一级导水构造补给。矿山岩体周围灰岩出露，可接受大气降水直接补给或通过“天窗”构造接受孔隙水补给。该区地下岩溶发育，连通性好，地下水赋存条件好，含水量丰富。

3莱芜地区矿区分布及开采情况

3.1莱芜地区矿区分布

铁矿是莱芜地区的优势矿产之一，也是山东省富铁矿的主要产区之一。有变质铁矿、热液充填交代型铁矿和接触交代矽卡岩型磁铁矿床3种类型，探明基础储量47 638.5万t，约占山东省的24.4%。线路途径区主要有鲁中矿、垂阳矿2个矿区。

鲁中矿位于矿山弧形背斜北部倾没端，属热液接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体倾角5°～45°，埋藏较深，距地表234～1 000 m，矿体走向北东向，长1 400 m，矿体平均厚度30.59 m，矿体顶部为第三系红板岩，底部为大理岩。鲁中矿于1998年开始开拓建设，地质储量1.47亿t，分4个主矿体。1号矿体采用充填法开采，2号～4号矿体采用无底柱分段崩落法开采。目前已采出矿石约530万t，开采深度从-146 m水平到-184 m水平，生产能力140万t/年。

垂阳铁矿为鲁中矿业港里铁矿区的外围矿，属热液接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体倾角5°～10°，矿体埋深450～520 m。矿床以磁铁矿为主，总储量309万t，平均品位55%。矿体顶板为角岩部分大理岩，底板为矽卡岩和闪长岩。地质储量309万t，分3个矿体，上下叠置分布，采用充填法开采。

3.2莱芜地区矿区开采情况

根据两矿提供的采空区资料，原初步设计方案DK1046+354～DK1046+745走行在垂杨铁矿采空区影响区内，存在重大安全隐患。其中垂杨铁矿采用房柱采矿事后充填法开采，开采高程-260 m，开采深度475 m，采空区最南端距离汇河大道310 m；鲁中铁矿矿井采用立井开拓，分4个主矿体，采矿分条沿矿体倾斜方向布置。1号矿体设计采用房柱采矿事后充填法开采，开采水平-260 m，两条风井基本建成，-200 m中段开拓工程过半，2号～4号矿体采用无底柱分段崩落法开采，2003年开始生产，目前已采出矿石约530万t，开采深度从-146 m到-184 m。矿体走向北东向，矿体平均厚度30.59 m，矿体倾角5°～45°。1号矿体巷道最北端距离汇河大道332 m，2号～4号矿体采空区最北端距离汇河大道495 m。见图1。

图1　鲁中铁矿、垂阳铁矿采空区示意

4方案研究

4.1改线安全廊道选择

4.1.1岩移参数选取

长期以来，相关单位针对鲁中矿区地面沉降、塌陷规律进行了较为系统的研究，通过现场监测、反演分析等手段，总结归纳出了本矿区的地表变形、移动参数，其中《鲁中冶金矿山公司小官庄铁矿地表移动规律及保安矿柱合理尺寸研究》((94)冶科成鉴字第262号)确定的小官庄铁矿岩石移动角为67°。《鲁中冶金矿山公司复杂地形地表移动研究》((94)冶科成鉴字第263号)确定的港里铁矿岩石移动角在67°～69°。2003年12月山东省地质环境监测总站、山东省莱芜市国土资源局《山东省莱芜市矿区地面沉降(塌陷)规律研究及防治报告》中确定的小官庄矿区小官庄铁矿岩石移动角为67°，张家洼铁矿岩石移动角为68°。

图2　移动角、 破坏角与边界角示意

根据采空变形的相关理论，采空区影响范围按照图2所示的边界进行计算(《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2001/ J125—2001)、《铁路工程地质手册》)。(a)沿矿层走向移动角δ、破坏角δ″、边界角δ0；(b)沿矿层倾向下山方向的移动角β和β1、破坏角β″和β1″、边界角β。和β1；(c)沿矿层倾向上山方向的移动角γ、破坏角γ″、边界角γ。

L=Hcotβ0(γ0/δ0)+hcotφ

式中φ——第四系移动角；

β0(γ0/δ0)——边界角；

β0=β-15°×(1-0.01α)；

γ0=γ-15°；

δ0=δ-15°；

β0——下山移动边界角；

γ0——上山移动边界角；

δ0——走向移动边界角；

α——岩层的倾角。

考虑到垂阳铁矿和鲁中矿与上述研究区域所处地质背景、矿床赋存条件、顶板岩性特征、地质构造和开采方式等因素基本相同，按工程地质类比法，综合确定岩石移动角67°。采空区变形破坏边界计算示意如图3所示。

图3　采空区变形破坏边界计算示意

4.1.2改线安全廊道

改线安全廊道=两矿采空区间距离—垂阳铁矿采空影响边界(错动边界)—鲁中铁矿采空影响边界(错动边界)。岩系地层移动角选取67°，第四系地层移动角取45°。依据上述采空区错动边界预测，两矿间安全通道北边界距垂阳铁矿采空区边界最近216 m；安全廊道南边界距港里铁矿1号巷道边界最近261 m，距鲁中铁矿采空区边界最近323 m。安全廊道最窄距离195 m。

4.1.3改线安全廊道专家论证

2012年4月11日，晋豫鲁铁路通道股份有限公司在北京主持召开了“山西中南部铁路通道莱芜地区绕避采空区方案专家论证会”。专家主要意见认为绕避采空区方案充分收集利用了《鲁中冶金矿山公司小官庄铁矿地表移动规律及保安矿柱合理尺寸研究》、《山东省莱芜市矿区地面沉降(塌陷)规律研究及防治报告》等研究成果，结合本地区的地质背景、矿床赋存条件、顶板岩性特征、地质构造和开采方式等因素，按工程地质类比法，确定采空地面塌陷移动角采用67°是合理的，可作为划定铁路安全通道的依据。依据移动角计算的安全通道可保证铁路安全，沿汇合大道调整线路方案和局部优化调整线路方案均可采用。

4.2改线方案研究

4.2.1方案说明

原初步设计方案由于垂杨铁矿向南侧开采，走行在垂杨铁矿，存在重大安全隐患，导致铁路处于采空区影响范围区内，存在重大安全隐患，需改线绕避。根据上述推荐的改线安全廊道，结合莱芜地区车站布局调整，研究了局部调整方案及沿汇合大道方案进行综合比选，见图4。

图4　绕避采空区方案示意

方案一：局部调整方案

线路自DK1037+000引出后，继续向东北前行，于IDK1041+150设莱芜站，出站后跨越在建珠海路、莱城大道，穿过港里村后跨过汇合大道，沿汇合大道北侧行进，走行于安全廊道内，穿家家悦物流园后跨过S242后至比较终点。该方案线路全长12.905 km，桥梁总长为5.859 km。

方案二：沿汇合大道方案

线路自DK1037+000引出后，经歌尔声学规划用地北侧、莱芜鲁能开源集团工业园北侧后沿汇合大道南侧行进，在安通医疗器械公司东侧跨过汇合大道，走行于安全廊道内，穿家家悦物流园后跨过S242至比较终点。该方案线路全长13.249 km，桥梁总长为5.924 km。

4.2.2投资比较及优缺点分析

两方案主要工程数量比较见表1。

表1　绕避采空区方案主要工程数量及投资比较

两方案优缺点分析见表2。

表2　优缺点分析

4.2.3推荐意见

原初步设计方案走行在垂杨铁矿采空区影响区内，存在重大安全隐患，沿汇合大道方案和局部调整方案采用67°移动角推断的安全廊道安全可靠，绕避采空区，压矿数量少。且沿汇合大道方案具有与汇合大道共通道，有利于城市规划布局，绕避了港里村，拆迁工程小，工程可实施性较强，符合地方政府意见等优点，综合比选推荐沿汇合大道方案。

5结语

方案研究在广泛收集并消化吸收莱芜矿区及矿区地表移动规律资料的基础上，结合本地区的地质背景、矿床赋存条件、顶板岩性特征、地质构造和开采方式等因素，按工程地质类比法，采用地面塌陷移动角的方法，研究推荐了满足铁路运营安全，符合城市规划布局，绕避了港里村等重大拆迁工程，工程可实施性较强的沿汇合大道方案。目前本方案已通过铁路及矿方有关部门的审查和评估，工程建设现已建设完成，效果良好。

矿区铁路选线可采用地面塌陷移动角的方法进行，在满足安全的前提下，有效缩短铁路安全廊道的距离，大大减少压覆矿藏的数量，对矿区铁路选线有一定指导价值。

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Study on Rerouting Scheme for Bypassing Mined-out Area along South Central Railway of Shanxi YANG Wen-dong

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd, Beijing 100055, China)

Abstract：South central railway of Shanxi passes through Laiwu mining area. Due to illegal exploitation of Chuiyang iron mine towards railway, the railway has to pass through affected area of mined out area, thus suffering significant security risks. Based on extensive collection and absorption of data pertinent to Laiwu mining area and regional surface movement tendency, engineering geological analogy and ground collapse movement angle method are adopted to find a safe and sound railway corridor through mining area with reference to such factors as deposits hosting condition, geological structure of the region and mining methods. Through scheme comparison, the scheme to go along Huihe Avenue is recommended, which satisfies safe railway operation, confirms with city layout, and bypasses Gangli Village and other major resettlement projects. Ground collapse movement angle method is acceptable for railway route selection through mining area to shorten the distance of the railway corridor and reduce significantly occupied mineral resources, which provides certain guidance to railway route selection in mining area.

Key words：Railway route selection; Mining area; Scheme selection

中图分类号：U212.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.005

文章编号：1004-2954(2015)05-0024-04

作者简介：杨文东(1972—)，男，高级工程师，1996年毕业于上海铁道大学，工学学士，E-mail：806734511@qq.com。

收稿日期：2014-08-13； 修回日期：2014-09-10