（地质工程专业论文）国电河北龙山电厂铁专线巨型采空区加固方法研究与数值分析.pdf

摘要 本论文以国电河北龙山电厂铁路专用线巨型磁铁矿采空区为研究实例， 开展采空区勘察、稳定性评价、治理方案的选择设计与治理加固后路基变形 数值模拟研究。具体工作如下：1 ) 根据采空区分布的现状及特点，采用综 合地质勘察方法对采空区进彳亍勘察，全面掌握采空区分布范围、磁铁矿开采 特征、地面变形与硐室的发育情况。2 ) 根据采空区的勘察结果，对采空区 进行稳定性评价，评价结果为采空区不符合新建铁路专用线路基的要求，需 要治理。3 ) 论证并采用充填压力注浆法对采空区进行治理，并对注浆处理 范围、注浆参数、钻孔布置、注浆实施方法进行设计。4 ) 利用快速拉格朗 日有限差分程序f l a c 2 d 对注浆充填加固后后路基的沉降变形进行数值分 析，研究以线路中心向两侧延伸不同的充填范围以及充填不同强度的浆液而 导致路基沉降变形的差别，研究结果表明实际加固处理范围与充填浆液的强 度满足路基工后沉降变形的控制要求。研究成果可为相关的土木工程提供理 论参考。 关键词：采空区铁路工程注浆充填沉降 数值模拟 亘直奎道盔主亟圭堑窒圭主丝迨塞 蔓! ! 基 a b s t r a c t t h i st h e s i st a k e st h eg i a n tm a g n e t i t em i n i n ga r e ab e n e a t h a nt h er a i l w a ys p e c i a l l i n eo fl o n g s h a np o w e rp l a n ti nh e b e ia st h er e s e a r c hl i v i n ge x a m p l e d e v e l o p st h ep r o s p e c t i n ga n ds t a b i l i t ya p p r a i s i n go n t h em a g n e t i t em i n i n ga r e a t h e n c h o i c e st h es c h e m ef o rr e i n f o r c i n gm i n i n ga r e a sm e t h o d sa n df o r e c a s t i n ga n ds t u d i e s t h er e s i d u a ls u b s i d e n c eo f t h em i n i n ga r e a w o r k sa sf o l l o w s ：1 ) b a s e so nt h ep r e s e n t s i t u a t i o n sa n dc h a r a c t e f i s t i c so ft h et h eg i a n tm a g n e t i t em i n i n ga r e ab e n e a t h a nt h e r a i l w a ys p e c i a l l i n eo fl o n g s h a np o 匿rp l a n ti nh e b e i ，u s e st h e s y n t h e t i c a lg e o l o g yp r o s p e c t i n gm e t h o dt os u r v e ya n d i n v e s t i g a t et h em a g n e t i t e m i n i n ga r e a m a k et h ed i s t r i b u t i o ns e o p eo ft h em i n i n ga r e a s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em a g n e t i t em i n i n ga n dt h ec a v e sg r o w t hc i r c u m s t a n c e sd e a rc o m p l e t e l y 2 1 a c c o r d i n gt ot h ep r o s p e c t i n gr e s u l to ft h eg i a n tm a g n e t i t em i n i n ga r e ab e n e a t h a nt h e r a i l w a ys p e c i a ll i n e t h es t a b i l i t ye v a l u a t i o no f t h em i n i n ga r e aa r e ai sc a r r i e do n ，a n d t h ea p p r a i s e ss h o wt h a tt h em i n i n ga r e ad o e sn o ta g r e ew i t ht h er e q u i r e m e n to ft h e n e w l y b u i l tr a i l w a ys p e c i a ll i n e ，a n dn e e dt ob er e i n f o r c e d 3 ) d e m o n s t r a t e su s et h e s e r o s i d jp o u r i n gm e t h o d t or e i n f o r c eh em a g n e t i t em i n i n ga r e a ，a n df i x su pd e s i g n i n g s e r o s i t yp o u t i n gs c o p e , p a r a m e t e r s a n dp e r f o r a t e 4 ) s t u d i e db yc h o o s i n gt y p i c a l g e o l o g i c a lm o d e la n du s ef l a c 2 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et oc a l c u l a t ea n d e v a l u a t e st oa n a l y s i st h er e s i d u a ls u b s i d e n c eo f t h em i n i n ga r e aa f t e rs e r o s i t yp o u r m g b vd i 位r e n tr e i n f o r c e sw i d t ha n dd i f f e r e n ts e r o s i t y 。si n t e n s i t y n l er e s e a r c hi n d i c a t e d m a tr e a lr e i n f o r c e sw i d t ha n ds e r o s i 够si n t e n s i t ys a t i s f i e so f t h el i m i tr e q u i r e m e n to f t h er o a d b e do f f s p r i n gs u b s i d e s t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t s c a l l p r o v i d et h e o r y r e f e r e n c ef o rc i v i le n g i n e e r i n g sr a n g e t h ek e yw o r d s ：am i n i n ga r e a r a i l w a ye n g i n e e r i n g s e r o s i t yp o u r i n g s u b s i d e n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 员 第一童绪诊 1 ，1问题的提出及研究意义 1 1 1 采空区分布现状与危害性 采空区一般是指由于地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生位 移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏 的地区或范围。采空区广泛分布世界各国，在我国也同样分布广泛。一般来说， 存在矿床开采就存在采空区，在我国北方产煤区尤为集中。 据国土资源厅调查，截至2 0 0 4 年1 2 月3 日，全国煤矿累计采空塌陷面积 超过7 0 万公顷，造成的损失已经超过5 0 0 亿元。我国重点煤矿，平均采空塌 陷面积约占矿区含煤面积的十分之一。其中，山西作为产煤大省，是采空塌 陷灾害最严重的地区之一。全省共1 5 万多平方公里的土地，采空区就达2 万 多平方公里，相当于总面积的七分之一。目前，采空区中6 0 0 0 平方公里的地 域已经遭受了地质灾害。因采煤造成地表塌陷1 8 4 2 处，地表破坏面积4 7 万公顷，耕地破坏面积达到1 8 万公顷。大面积的地质灾害不仅造成了巨大的 经济损失，而且在近l o 年来，地质灾害己造成5 0 0 多人伤亡。黑龙江省也是 受灾较为严重的省区。七台河矿区从1 9 5 8 年开始开发，在5 0 年不到的时间里， 全市下沉2 5 米6 5 米；鸡西矿区经过8 0 多年开采，已形成地表采煤沉陷 区1 9 3 平方公里：鹤岗矿区有6 3 7 3 平方公里的沉陷区，其中最深的地方下沉 了3 0 米，在地面上造成6 米多的裂缝，而且现在仍在以每年1 3 米的速度下 沉。2 0 0 5 年1 2 月2 6 日1 3 时0 5 分，位于河南安阳县都里乡的林州市三鑫工 贸公司都里铁矿，突然发生大面积塌陷，形成一个长约1 0 0 米、宽约5 0 米、 平均深度6 0 米的大坑。有8 人被证实在塌陷中坠落并被深埋在岩石下，群众 报告另有3 名失踪人员很可能在塌陷中坠落。经勘验，这一地表塌陷区地下硐 室是1 9 9 2 年铁矿采空后留下的。 由于采空区的存在。使得地表出现各种地裂缝、塌陷错台、塌陷坑、塌陷 盆地等不良地质现象，严重影响到国家资产及人民群众的生命财产安全。 1 1 2 铁路工程采空区问题的研究意义 采空区问题是世界性难题，以前道路工程一般多采取绕避措施解决采空区 问题，随着铁路建设的跨越式发展，行车速度高达2 0 0 k m h 的高等级铁路将是 现在及今后新建铁路的主要部分，城市轻轨交通建设也在蓬勃发展，各种交通 设施建设中将不可避免的遇到越来越多的地下采空区问题。目前正在建设中的 胶济铁路遇到多处煤层采空区，设计采用钻孔注浆填充空洞处理，由于采空空 洞无规律性，会大大增加钻孔注浆量。另外，郑( 州) 西( 安) 快速铁路客运 专线、石( 家庄) 太( 原) 快速客运专线等将可能遇到黄土洞穴和煤层采空区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 采空区变形对铁路路基的危害有五种危害表现形式：1 地表沉陷危害；2 地面倾斜危害：3 地表弯曲危害；4 地表水平变形危害；5 山区地表滑移与崩 塌。 这些变形的产生机制归结于采空区( 硐室) 存在导致的沉陷。采空区变形 将使得路基除了承受垂直移动和变形外，还要承受纵向、横向的移动和变形。 地表下沉将引起路基的沉落和线路坡度的改变；地表的横向水平变形将致使轨 道弯曲，并引起轨道平面的倾斜或曲线超高的改变；地表的纵向变形，如地面 的压缩和伸张将使钢轨和轨枕挤紧和断开：地表的各种移动和变形，对桥涵、 站场、房屋和通讯信号设备等都有相应的，不同程度的影响。 在中国，针对高速公路及铁路下伏采空区问题治理的研究随着道路铁道的 建设逐渐受到人们的重视，已有的相关规范和研究资料表明，近十年，我国铁 路、公路、煤炭等系统对地下空洞中岩溶、黄土洞穴及煤矿采空区作过一些研 究。如岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - 9 4 ) 中判定采空区对工程不利的情况 为下列之一：1 采空区采深采厚比小于3 0 的地段；2 采深小，上覆岩层极坚 硬并采用非正规开采方法的地段；3 地表倾斜为3 l o m m m ，地表曲率为 0 2 1 0 1 o 6 1 0 。m 或地表水平变形为2 6 舢m 的地段。 煤炭工业方面：建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程( 煤行管字 2 0 0 0 第8 l 号) 中规定的工矿企业专用铁路“薄及中厚层煤层 的采深与单层采厚比小于4 0 ”需设防。 铁路方面：铁路工程不良地质勘察规程( t b l 0 0 2 7 2 0 0 1 ) 中的人为坑洞 指人工开凿正在使用或废弃的各种坑道和洞穴，当线路绕避人为坑道有困难 时，对埋深浅的小型坑洞应开挖回填，对不易开挖的坑洞应进行必要的勘探查 明坑洞情况，经处理后通过；而对于岩溶的要求则是铁路工程可建在顶板稳定 且足以支撑附加荷载的溶洞上面。 公路方面：近年来在山西省和北方其他省份因高速公路的建设需要而展开 对采空区问题的研究。通过而对采空区进行勘察治理研究和总结的工程经验， 山西省交通厅、中交通力公路勘察设计工程有限公司于2 0 0 5 年8 月在人民交 通出版社出版了高速公路采空区( 空洞) 勘察设计与施工治理手册一书， 系统的介绍并论证了在煤炭采空区上修建高速公路的勘察、治理研究成果。 纵观现有研究成果，因研究时间短，尚未形成成熟的理论及工程设计体系。 本文研究的国电河北龙山电厂铁路专用线线路长度约2 5 k m ，其中约5 0 0 m ( 起讫里程为d k o + 2 8 0 d k o + 7 8 0 ) 通过磁铁矿采空区。预计采空区处理工程 费用近5 0 0 0 万，采空区下伏硐室为为多层串联，最大单层高l o m 。地表正处 强烈变形中，已经形成大的塌陷盆地及纵横交错的长大地裂缝。经过周密勘察 及论证后，根据采空区的现实情况，采用充填压力注浆法对采空区进行治理。 此采空区地下硐室发育的复杂性及其发育规模巨大，因此，加强采空区的 勘察评价工作，采取经济合理技术可靠的处理措施，对控制采空区工后铁路路 基的沉降，满足专用线的安全正常运营具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 采空区加固的国内外研究现状及进展 采空区加固研究集中在三个方面：采空区的勘测、采空区稳定性研究、采 空区治理技术研究。 1 2 1 采空区的勘测应用现状 目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探j 地球物理勘探为主，辅 以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我 国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电 法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、 高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震c t 技术方面也发展迅速。 日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波 法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多。在采空区的 探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、 射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地 震法也有使用。国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了 大量的工作，发展了多种方法，有些技术甚至超过了国际水平，如瞬态瑞利波 法、地质雷达、弹性波c t 、超声成像测井等。 1 2 2 采空区稳定性理论研究现状 采空区稳定性的研究主要集中在世界上几个煤炭生产大国，如波兰、前苏 联、英国及中国等。国内外针对开采沉陷及“三下”采煤技术的研究，形成了 矿山开采沉陷学等学科。 从本质上讲，目前现有的开采沉陷理论可分为两大类，一类是以地表移动 作为讨论对象，不考虑岩体特性的唯象学理论研究方法，如几何理论、非连续 介质理论( 随机介质理论、碎块体理论、空隙扩散理论) 及经验型预计方法( 典 型曲线法、剖面函数法) 等：另一类假设岩体为连续介质，以连续介质力学理论 研究岩体力学性质及力学行为。 唯象学理论研究最早萌芽于十五世纪比利时工程师哥诺特最早提出的“垂 线理论”及修正的“法线理论”，认为采空区上下边界开采影响范围可用相应 的层面法线确定。这些理论主要被用来确定开采破坏范围，其中确定破坏极限 角的方法一直沿用至今。 非连续介质理论( 随机介质理论、碎块体理论、空隙扩散理论) 理论将覆岩 的移动看成是随机移动的小单元，通过研究单元之间的移动表达式，应用概率 积分法来预计地表的下沉，然后根据实测下沉量与水平位移的关系，给出水平 移动系数，来预计地表的水平移动，从而得出地表移动表达式。这种理论的缺 陷之一是将覆岩移动看成是抽象的单元移动，且单元的性质与岩性无关，这一 假定实质上将岩层的移动与岩层自身脱离开来，推出的表达式存在许多不足： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 无法考虑岩体的层位和层状性质的影响，参数与岩性结构的关系不明确。 经验型预计方法( 典型曲线法、剖面函数法) 是基于实测资料，通过大量实 测资料的数据处理，对地表沉陷盆地形态进行拟合，得出预计各种移动和变形 值的函数形式( 解析公式、曲线和表格) 和计算预计经验公式。预计法是以波兰 学者k n o t h e 所提出来的几何学理论为基础，以现场观测为依据，利用概率统 计中的正态分布规律来预计由于硐室或采空区所引起的地表下沉和倾斜。后来 b u d r y 在k n o t h e 的理论的基础上，引入有关参数，构成了b u d r y k n o t h e 理 论。b u d r y - - k n o t h e 理论不仅可以预计地表的下沉，而且可以预计地表的水平 移动。 在上述唯象研究方法中，以地表移动作为讨论对象，计算中选用的参数物 理意义不明确，很难反映岩层内部的移动规律。因此唯象研究方法不能很好地 解释岩层的地表移动的物理和力学本质。 连续介质力学理论假设岩体为连续介质，应用连续介质力学理论研究岩体 力学性质及力学行为，主要包括弹性理论、塑性理论、粘弹塑性理论、断裂理 论等模型等。基于上述理论，各国研究者提出了许多研究方法方法和模型。 解析法是对采空区进行简化，建立地质模型，再按一定的原则抽象为一个 理想的数学物理力学模型，按照数值方法予以求解，如结构力学中的顶板坍塌 自行堵塞估算法评价、平衡拱分析法评价、双向板分析法等。 半预测半解析方法是预测法和解析法的结合，如2 0 世纪7 0 年代末， b d z e z li 教授将覆岩抽象为三维线性连续体，然后求解l a m e 位移方程时引入 b u d r y k k n o t h e 理论基础，即垂直位移w 用b u d r y k k n o t h 的预计下沉函数， 水平位移u 、v 用f o u r i e r 二维积分变换，结合应力边界条件和位移边界条件， 应用加权残值法近似求解。这种方法能对岩层移动过程做出解释。 连续介质力学理论计算中所需参数有各自的物理意义，概念比较清楚。但 由于岩体结构及其力学行为、开采实际条件非常复杂，目前还没有成熟的计算 模型和方法。特别是对岩体内包含的大量节理、层理、裂隙、断层和破碎带等 结构面考虑不足，而岩体的破坏及移动变形与这些节理裂隙的发生、发展密切 相关。 依照前文所述，采空区稳定性分析评价方法概括起来就是唯象学理论的预 计法，连续介质力学理论的解析法以及两者结合的半预测半解析法。 采空区稳定性的评价手段分传统的评价手段和基于计算机技术的数值模 拟仿真分析。 传统的评价方法是从覆岩的性质、应力分布入手，研究破坏机理、塌陷的 分带性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持续时间、岩移的观 测方法、观测网的设置原则等，对于后期的位移预测多是探讨计算方法。而目 前较常用的是定性和半定量的分析方法，其分析主要分为采空区顶板稳定分析 和采空区地基稳定性分析。 近年来，随着计算机的发展，数值模拟计算方法有了长足的进步，已经成 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 为岩石力学研究和工程计算的重要手段，数值模拟计算方法及理论越来越完 善。虽然无法完全适应复杂的地质条件及工程条件，但数值模拟方法基于计算 机计算和图形输出技术，具有传统计算评价方法不可替代的优势。数值模拟计 算定量结果可作为定性或准定量评价的应用。现在的数值模拟方法主要有有限 差分法、有限单元法、边界单元法、离散单元法等和上述各种方法的耦合等。 1 2 3 采空区加固治理技术研究现状 目前采空区治理有两个研究大方向：i 开采时为满足矿井的安全开采、提 高采出率和控制地表已有建筑物变形的优化矿山开采技术措施；i i 采空区形成 后为满足新构筑地表建筑物的变形控制要求对采空区采取的治理方案。 l 、地表减沉的矿山开采技术 开采时为了控制开采沉陷，国内外矿山采用了多种技术手段，概括起来主 要有井下开采技术措施、采空区充填、采空区冒矸空隙注浆、覆岩离层注浆等。 井下开采措施包括部分开采法、全柱式开采法、间隔式开采法等。 2 、构筑物下伏采空区处治方案 构筑物下伏采空区处治方案目前主要有三类： ( 1 ) 地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则 或综合措施，以吸收和抵抗变形。 ( 2 ) 采空区地基处理措施，预防和控制地表残余沉陷的发生。此类方法可 细分为4 种：i 全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用 注浆充填、水力充填和风力充填等，其中，以注浆法应用最广泛、效果最好： i i 局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落，常用 的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等：i i i 注浆 加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝， 使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发 展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全：采取措施释 放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空 区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下硐室，在沉陷基本 稳定后再开发利用地表土地，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导 沉降法等。 ( 3 ) 对铁路，也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维修方案。结 合铁路工程自身特点与要求，其下伏采空区的治理，理论上可以采取上述各种 方法，但基于技术及经济原因，某些方法应用较少或缺少，铁路下伏采空区的 治理，主要以注浆全充填法为主，注浆材料以水泥粉煤灰为主，也有水泥粘土 或水泥黄土浆材，因地而异。注浆全充填法对于采空区减沉机理主要有以下几 种观点：i 浆液除具有充填作用、膨胀作用外，还有胶结作用；i i 注浆孔在注 浆工程结束后注入水泥，使用其起到锚固地层的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 本论文的主要工作 论文以国电河北龙山电厂铁路专用线c k o + 2 8 0 c k o + 7 8 0 段磁铁矿采空区 注浆治理段为研究对象，开展采空区勘探、采空区稳定性评价、采空区注浆充 填治理研究。具体通过现场综合勘测手段获得地层构造资料，根据勘察结果评 价采空区的稳定性，从而选取科学的注浆治理手段对采空区进行处理。根据采 空区勘察设计以及治理结果，建立采空区计算模型，用f l a c 2 d 软件进行分析。 计算采空区不同充填范围、不同充填浆液性能等条件下路基变形程度，并根据 处理情况以及计算结果对采空区处理后铁路路基变形进行预测，可为今后类似 铁路巨型采空区整治提供理论上的指导依据。 1 4 拟采取的研究方法、试验方案及其可行性研究 目前新建铁路穿越采空区在中国国内十分罕见，工程勘察经验以及治理经 验相对欠缺，还未形成成熟的理论。而采空区变形控制的研究主要是为采矿服 务，铁路工程可以借鉴其分析方法及成果，并结合铁路行业标准进行勘察、治 理等研究。针对新建铁路穿越采空区的新课题，本文拟运用数值模拟的手段， 利用f l a c 2 d 有限差分模拟软件分析现有采空区对地表稳定性的影响以及不同 充填方法对采空区治理工后残余变形的控制结果，并结合治理后检测结果进行 比较，拟通过以下手段和步骤来研究： ( 一) 本文的研究思路如下 1 收集已有的地质勘察资料( 地层岩性、地质构造、水文地质条件和地 形地貌) 。 2 通过实测得到采空区变形情况，通过钻孔和物探资料得到实际地层分 布，通过室内实验得到岩芯物理参数。 3 根据地下采空区的几何尺寸、上覆岩层的岩性特征等因素建立数值分 析模型，计算并评价其稳定性。 4 根据其稳定性评价论证并选取科学治理方案，依据方案展开充填压力 注浆的设计。 5 分析不同充填宽度、不同充填材料强度对铁路路基变形的影响。 6 根据上述研究，计算和预测采空区治理后铁路路基的残余变形。 ( 二) 本文内容安排如下： 第一章：广泛查阅采空区相关文献资料，论述采空区危害现状及铁路工程 采空区问题的研究意义，系统地总结了采空区变形控制与治理手段的研究现 状，提出了本论文的研究方法和研究目的。 第二章：对研究对象龙山电厂铁路专用线采空区的基本地质条件进行详细 描述。 第三章：研究介绍治理前期对采空区综合勘察手段，并对地形，塌陷变形 范围、地下硐室和巷道发育的勘察结果作详细描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第四章：根据勘察结果对采空区稳定性进行定性评价和数值模拟分析评 价。 第五章：论证并介绍了采空区注浆治理方案的设计与实施操作。 第六章：研究不同的充填治理范围以及充填材料对路基沉降变形影响程 度，应用f l a c 2 d 软件进行建模和计算。根据计算结果和工后监测结果，预测 铁专线采空区工后残余变形。 总结本文主要工作及结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章铁专线采空区水文地质与工程地质条件 2 1 地形地貌 采空区地处太行山东麓的黄土丘陵区，区内海拔标高为5 3 5 5 7 7 m ，相对 高差4 2 m ，地形起伏较大。采空区地表大部分被第四系黄土覆盖，仅在采空区 南部有较小的中奥陶统马家沟组灰岩露头，区内地表已多辟为耕地。 2 2 地层岩性 采空区勘探深度内揭露的地层主要为第四系全新统( q 。“) 人工堆积碎石 土、第四系更新统冲洪积( q 。a l * p 1 ) 黄土、奥陶系( o 。) 灰岩及燕山期侵入闪长岩。 第四系( q ) ：中更新统( q 。“州) 老黄土：棕红色，灰褐色，局部为褐黄色， 硬塑坚硬，含碎石或姜石。下部见泥、钙质胶结砾石层，胶结程度不一，局 部地段似砾岩状，致密。线路影响范围厚1 5 2 1 5 m 。上更新统( q ，”) 新黄 土：黄褐色、褐黄色，硬塑坚硬，具大孔隙，含植物根系，具有湿陷性，湿 陷系数6 。= o 0 2 4 0 1 3 6 。下部含碎石较多，局部夹碎石透镜体。线路影响范 围厚4 5 4 6 6 m 。全新统( q 。“) ：为分布在矿井口的开采矿碴形成的碎石土， 成份主要为灰岩、闪长岩，松散，稍湿，厚约0 o 8 o m ( 见图2 1 ) 。 图2 1 开泶口硷形成的砰石l 及中吏新统f q z j 老黄上 奥陶系中统( 0 2 ) 灰岩：主要为灰色、深灰色，中厚层厚层状，夹少量薄 层泥灰岩、角砾岩等，节理、裂隙发育，岩层产状9 。1 5 。，有溶蚀现象， 与下伏寒武系地层呈整合接触。在奥陶系灰岩和侵入岩闪长岩接触带赋存矽卡 岩型磁铁矿床，矿石矿物主要为磁铁矿、黄铁矿，中细粒半月形结构、块状、 非连续条带状、鸡窝状构造。脉石矿物主要为石榴子石、绿帘石、透灰石、方 解石。矿体形态极不规则，受岩浆接触带控制。矿体铁含量一般为1 0 5 0 矿区含矿1 3 层，单层平均厚度2 4 m ，局部地段5 7 m ，埋深一般在3 0 9 0 m 之间( 见图2 2 ) 。 侵入岩为燕山期杂岩体，岩性主要为闪长岩、闪长玢岩、正长斑岩等，岩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 浆侵入于奥陶系灰岩中。 图2 2 磁铁矿石及奥陶系中统( 蚴灰岩 2 3 地质构造 涉县位于太行台隆中段东侧，构造单元属武安凹断陷。断裂构造发育，构 造线方向为北东和北北东向，在空间上西疏东密，西弱东强，涉县主要断裂有 涉县大断裂；龙山断裂：更乐断裂。其中龙山断裂与更乐断裂为两条近 平行呈北西南东向展布的正断层，与涉县断裂相交，规模较小。此外，在涉县 盆缘山区，发育许多规模较小的老断裂。 本区褶皱构造主要为涉县向斜，呈北东南西向展布，轴部及两翼主要由 奥陶系中统灰岩组成，两翼地层产状平缓，倾角9 。1 5 。，断裂带附近产状 较零乱，一般倾角较大。线路经过地段地层产状平缓，计算时按水平处理。 2 4 水文地质 采空区区域地下水主要岩石裂隙水，地下水位在2 0 0 m 以下。地下水对采 空区稳定性不构成影响。 2 5 地震烈度 根据中华人民共和国国家标准g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 中国地震动参数区划图 ( 1 4 0 0 0 0 0 0 ) ，本区地震动峰值加速度为0 1 0 9 ，对应抗震设防烈度为v l l 度。 2 6 气象特征 涉县地处半湿润半干旱地区，属温带大陆性季风气候，春秋干旱少雨，夏 季炎热多雨，冬季少雪，昼夜温差大。降雨多集中在6 1 0 月份，占全年降雨 量的7 0 以上。流经涉县的主要河流是漳河。主要气象要素见表2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 表2 i 气象资料统计表 项目名称 涉县 历年年平均气温( o c ) 2 0 1 历年极端最高气温( o c ) 3 9 4 历年极端晟低气温( 。c ) 一1 7 2 历年最冷月平均气温( o c ) 一1 8 4 历年年平均降雨量( m ) 5 5 0 7 3 历年年平均蒸发量( m ) 1 5 8 1 7 1 历年最大风速( m s ) 1 4 3 累年最多风向 e n e 历年平均相对湿度( ) 6 0 8 最大积雪深度( c m ) 1 6 累年平均风速( m s ) 1 3 6 土壤最大冻结深度( c m ) 4 0 2 7 岩土体物理力学特性 场地内上覆第四系全新统( q 。“) 人工堆积碎石土、第四系更新统冲洪积 ( q ，。“) 黄土、奥陶系( 0 5 ) 灰岩及燕山期侵入闪长岩。对研究区内的岩土 体钻探取样，并按国家标准土工试验方法标准进行了大量的室内试验，在 此基础上进行系统整理分析，并类比有关国内外岩土体工程资料，得出岩土体 的物理力学性质，见表2 2 。 表2 2 岩层的物理力学参数 密度内摩擦角 岩层体积模量( 肝a ) 剪切模量( m p a )粘聚力( k p a ) ( k g m 1 ) ( o ) 黄上 1 4 3 1 5 0 0 4 53 0 灰岩 1 7 8 5 7 2 4 6 8 72 7 0 02 0 03 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第三章铁专线采空区勘察成果 3 1 采空区分布现状与磁铁矿开采特征 新建国电龙山电厂铁专线起点始于邯长铁路井店车站，于里程c k 0 + 2 8 0 c k 0 + 7 8 0 处遇井店镇台村鑫宝冶金集团有限公司台村矿业分公司磁铁矿采空 区和南凹磁铁矿采空区。采空区已形成三个大型塌陷盆地，铁专线从三个大型 塌陷盆地中心穿越( 图3 1 ) 。 图3 1 采空区与铁专线示意图 采空区为磁铁矿开采形成，范围约6 0 0 m 1 2 0 0 m 。一方面由于采空区埋藏 浅，项板灰岩相对较薄，且顶板灰岩节理、裂隙发育，岩体较破碎，另一方面 在对磁铁矿回采时，对顶板采取无支护自然垮落的方法，导致在回采不久顶板 即产生坍塌变形。坍塌的项板在采空区内形成松散堆积体，在地表则表现为强 烈的塌陷变形。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 目前河北鑫宝冶金集团有限公司台村矿业分公司磁铁矿刚刚停产，河北省 涉县井店镇台村采矿队南凹铁矿仍在开采，虽然这两个矿采空区影响范围内目 前地表反映的塌陷变形现象还不明显，但根据现场调查访问，采空区顶板已出 现大面积坍塌，除正在开采及刚停产的铁矿主巷道外，多数巷道局部已被坍塌 体堵塞。 根据调查访问及勘探期间现场发现新形成的地表裂缝显示，目前采空区强 烈塌陷变形仍在进行。由于采空区地表强烈塌陷变形，致使采空区影响范围内 地层结构遭到严重破坏，采空区顶板岩土体破碎，裂隙发育。地表凹陷、陷坑、 错台、裂缝发育，工程地质条件差。 ( 一) 磁铁矿赋存特征 铁路专用线通过磁铁矿地段，地表为第四系中上更新统冲洪积( q s + ，帅1 ) 黄土，沉积厚度一般为l o 4 0 m ，下伏地层为中奥陶系( q 2 ) 灰岩，其下为闪 长岩。磁铁矿即赋存于灰岩的接触带及接触带项底板灰岩薄弱带中，矿床成因 类型为接触交代型磁铁矿床。矿体总体走向为北东3 0 。5 0 。，倾向南东， 倾角9 9 2 0 。，含矿1 3 层，单层平均厚度2 4 m ，局部地段5 7 m ，矿体 在矿区内呈非连续条带状和鸡窝状分布。埋深一般在3 0 9 0 m 之间。铁路范围 内有主采矿井三口，经过3 0 多年的开采，矿区己达到充分开采，从地表到采 空层有多层硐室分布。 ( 二) 磁铁矿开采历史 本区在2 0 世纪7 0 年代初发现磁铁矿起，就开始了磁铁矿的开采，当时主 要为国有铁矿开采，此时本区的勘探工作尚未结束。2 0 世纪8 0 年代初随着我 国改革开放的逐步深入，本区的集体铁矿和个体铁矿迅速兴起。据2 0 0 3 年3 月调查统计，本区共有生产矿井2 6 处( 包括主井和副井) ，废弃矿井遗迹2 5 处。由于当时多数磁铁矿为无规划乱采及多次转让，经营矿主不了解矿井开采 历史，除现场收集到的对线路有直接影响的磁铁矿中河北鑫宝冶金集团有限 公司台村矿业分公司资源开发利用方案、河北省涉县井店镇台村采矿队南凹 铁矿资源储量核查报告两个矿的资料及业主提供的河北国电龙山发电厂 台村厂址铁路沿线采空区调查报告外，无法收集到其余各矿的采掘资料，对 各矿的调查访问也有很大的难度。从收集到的资料，并在派技术人员和工人对 能进入的巷道迸行了实地勘察后，基本查明磁铁矿开采特征如表3 1 ： 表3 1 磁铁矿开采特征表 序号矿名称矿层情况开采支护情况 地表变形情况 矿层平均厚度 始建于1 9 7 1 年，2 0 0 4 在线路通过区的维护 河北鑫宝冶金 为6 9 m 最厚 年停采。采用房柱式 带范围内，只形成了 集团有限公司1 9 7 5 m ，矿体深度 冒落带和裂隙带。线 l炮采，采空区项板自 路左侧4 0 m 以外地表 台村矿业分公 9 0 m 。线位通过处理 然垮落，回采率约为 司磁铁矿。采空厚度约为1 0 0 6 0 以上。 出现开裂、错动，坍 m o塌等情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 矿层平均一般为 始建于1 9 7 6 年，至今 在线路通过区的维护 井店镇台村采 4 o 6 o m ，矿体埋 仍在开采。采用竖井 带范围内，形成了冒 2深4 0 8 5 m 。线位通 开拓方式，以无底柱 落带、裂隙带， 硼“队南凹铁矿崩落法开采，采空区 c k 。5 2 0 一e k 。+ 7 7 0 段 过处采空厚度约为已经形成弯曲带并在 5 o m 。 顶板自然垮落，回采 地表出现开裂、错动、 率约为6 0 以上。 坍塌等情况。 矿层厚度一般为 始建予1 9 8 3 1 9 9 4 2 o 5 o m ，矿体埋 年，开采历史1 0 2 0采空区地表出现开 3 其他磁铁矿年。采空区顶板自然裂、错动、坍塌等情 深4 0 8 5 m 。局部最 大埋深约l l o m 。 垮落，矿区内铁五r 基况。 本己采尽 ( 三) 磁铁矿开采特征 本矿区磁铁矿的开采除“台村矿业公司”矿井具有一定规模，开采较正规 外，其余矿井均为集体或个体小窑，属权转让频繁，其开采的方式方法多种多 样。据调查本区所有矿井均为无支护开采，仅在局部必要地段设置非永久性支 护，支护有效期般在3 个月左右。矿井回采为全断面采尽全部预留矿柱和矿 体。为延长矿井使用寿命，各矿在矿井使用期末，均在井下掘巷寻找盲矿。由 于本区矿井数量多，规模小，开采方式多样化，因而管理难度大。乱采乱掘， 越界开采现象在各矿经常发生。因而使矿区地表塌陷表现为多样性和复杂化的 格局。 3 2 采空区地面塌陷特征 采空区地势总体上西高东低，东北、西南高，中部低。地面变形塌陷范围 基本上与采空区范围一致，由于采空影响，地面上北、西、南向中心倾斜。地 表变形塌陷规律与矿体分布、厚度、埋深、上覆地层岩性及开采方式密切相关， 其表现为变形塌陷区边缘地带变形微弱，中部东、西两侧边界地带局部为台阶 式沉陷：变形塌陷区内则表现为剧烈的地表变形，塌陷坑、塌陷台阶、地裂缝 相互交织，遍布全区。 1 ) 塌陷凹地 塌陷凹地为相对集中采矿所形成，凹地呈椭圆形或近似圆形。凹地四周为 塌陷形成的斜坡地或阶地，伴有较多的地裂缝，凹地的中部常为数量不等的塌 陷坑，凹地中心与边缘相对高差约为5 l o m 。本区最大的塌陷凹地为“台村 矿业公司”矿井开采所形成的，位于采空区中部偏东，南北宽约2 2 0 m ，东西 长约2 6 0 m ，近拟圆形，中心与边缘相对高差约为l o m 。 2 ) 塌陷坑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 塌陷坑为采空区瞬间塌陷形成的，主要分布于塌陷凹地内，单独或成片出 现，近似呈圆形，直径5 1 2 m ，坑壁直立，塌陷深度3 8 m 不等。 3 ) 塌陷地堑 塌陷地堑为采空区快速塌陷形成，宽约2 5 m ，长约3 0 6 0 m ，塌陷深度 2 5 m ，两侧坑壁直立或表现为塌陷错台，目前一些塌陷地堑已充填矿碴。 4 ) 地裂缝 地裂缝主要出现在塌陷区、塌陷凹地的边缘地带，呈直线、弧形或网格状 分布，裂缝宽度一般为5 l o o c m ，长度一般为2 0 4 0 m 不等。与塌陷凹地， 塌陷错台等相伴而生。 5 ) 塌陷错台 塌陷错台主要出现在塌陷区、塌陷凹地的周围，常数级连续出现，长度 3 0 5 0 m 不等，落差0 5 1 o r ，错台间伴有宽大地裂缝。 图3 2 塌陷凹地 图3 4 塌陷地堑 图33 塌陷坑 图3 5地裂缝 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 【墨| 3 5 塌陷错台 上述各种塌陷形式交织在一起，构成本区复杂的塌陷格局。在施工道路和 蓄水池修筑后地表仍然处于变形当中。 c k o + 2 9 0 c k o + 5 2 0 段地表变形特征并不明显，根据矿井实地调查和物探、 钻探证实，矿层基本采空，冒落带、裂隙带已形成，并且在冒落带的上部存在 硐室，地表已有轻微变形痕迹。 c k 0 + 5 2 0 c k o + 7 7 0 段塌陷凹地的变形塌陷主要表现为正在发展的剧烈地 表变形，塌陷坑、塌陷地堑、错台、裂缝相互交织分布。 由于以上采空区巷道及硐室分布的现状及特点导致单一的勘察手段很难 查清其分布，因此，在勘察过程中应充分利用综合勘探手段，发挥各种勘探手 段的优势，互相弥补、互相衔接。首先通过对可进入的地下巷道及采空区硐室 进行工程测绘，在大体掌握其总体展布的基础上，然后选用物探方法对部分未 知或已坍塌的采空区硐室及巷道作进一步校核和探测，最后通过钻探验证，进 一步对硐室作更精确、合理的定位。 3 3 采空区勘察程序及成果 整个勘察工作分三阶段完成，第一阶段为地面、地下的工程测绘工作；第 二阶段为工程物探工作；第三阶段为钻探验证工作。以上各阶段相互衔接，前 一阶段为后一阶段提供依据，而后一阶段验证前一阶段的工作并提出成果。 3 3 1 工程测绘 包括地上、地下工程测绘工作，地上测绘工作主要是场地内地形测量，主 要有沉降观测控制点设置，既有不良地质现象定位，施工场地内废弃矿井定位， 工程物探剖面位置定位，钻探验证孔定位工作；地下测绘主要是通过废弃矿井 对能进入的地下巷道及采空区硐室进行准确定位及正确描述，以确定巷道及采 空硐室的准确方位及形状，并将巷道及采空区硐室的准确方位和形状确定到施 工图上。 线路经过地段发育有三个大型采空盆地，盆地呈品字形分布，盆地内的地 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表塌陷变形主要表现为地裂缝的扩大、土洞的出现、差异性沉降等正在继续发 展的变形，与早期形成的塌陷盆地、塌陷坑、塌陷地堑、塌陷错台、地裂缝相 互交织。 针于采空区段地面持续变形情况，采用水准仪对场地内的各种变形现象及 地面变形情况作了详细的定位测量。埋设了3 0 根沉降观测控制桩，组成沉降 观测网并定时监测，对施工场地随时可能出现的各种异常情况作及时而准确的 监控。 3 3 2 工程物探 近年来地球物理勘探( 简称“物探”) 对探测采空区、硐室的作用越来越大， 尤其是电法勘探，是勘查地下采空区、硐室的主要手段之一，并在工作中取得 了明显的经济效益和地质效果。 本次勘探采用的是电测深法勘探，根据在采空区地区内所测得的电测深数 据可以绘制出视电阻率等值断面图和每个测点的曲线类型剖面图，视电阻率等 值断面图可以定性地解释地下地层岩性和地质构造，用量板法解释测点的曲线 类型剖面图则可以定量地确定地层分界点和硐室位置，再结合工程钻探的资料 就可以快速准确地绘制出采空区地区的工程地质纵断面图。 利用物探作指导，找出异常区，在异常区布置适量勘探点。这样即节约勘 探工作量，又提高工效，达到节省投资的目的。 1 工程探测测线布置 对国电河北龙山发电厂一期铁路专用线( i i i 标段) 路基采空区进行实地调 绘，调查了工点的工程地质条件及矿体分布特征，对所有采空区塌陷坑洞进行 了量测，访问了采空区采矿、坑洞塌陷等的发展历史与现状，并收集了其它相 关资料后。通过试验确定了资料采集的各个物理参数，布置了两条测线，测线 位于线路中心线左右侧各1 5 m ，测点点距2 0 m ，最大测深l o o m ，电测深检测工 作范围为c k o + 2 8 0 c k o + 7 6 0 ，共完成坐标点6 9 6 个，获得采空区加固处理前 路基下方l o o m 深度内的岩土体视电阻率资料。电测深点布置图见图3 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第j 7 页 2 物探成果分析 通过现场勘探，我们得到了采空区的视电阻率数据，由此绘出的视电阻率 等值断面图，地下各地层的电性参数为：p = 1 0 1 0 2 q m ，p 辟i 上= 1 0 2 1 0 3 q m p 麓岩= 1 0 2 1 0 3 q m ，p 埘长岩=