重金属矿采空区选线与注浆充填加固技术.doc

胶新铁路重晶石矿采空区地质选线与注浆充填加固技术济南铁路局建设项目管理中心 闫立忠铁道第三勘察设计院 李迎春摘要：本文介绍了胶新铁路穿过的重晶石矿采空区的矿 床特征，开采方式，分布情况，选线方案，采空区对铁路工 程的影响，采取的处理措施，达到了设计要求的效果关键词: 重晶石矿采空区地质选线加固技术一、 工程概况胶新铁路在DK30+300-+429段过重晶石矿分布区木 段线路以填方通过西化山村西约500m处重晶石矿采空区， 线路中心最犬填高约&93m地形为剥蚀丘陵缓坡，地势略 有起伏由于矿石开采，沟谷发育采空区内地下水为基岩裂隙水，较为发育，埋深6~8m 未被填埋的矿井中均有积水，地下水对混凝土不具侵蚀性二、 重晶石矿矿床特征该段范围内表覆砂粘土，沟心分布有人工堆积层，沟壁 及下伏基岩为砂岩及重晶石岩脉重晶石，灰白色，风为72\ 倾角7(T〜75 ,向大里程方向倾斜，泥质砂岩，黄褐色及棕 褐色，风化极严重〜颇重重晶石：BaS04o化学成分组成：Ba： 65.7 SO4： 34.3 成份中有Sr, Pb和Ca类质同象代替Sr和Ba可作完全类 质同象代替，其另一端员成份SrSO4,称天青石当Pb含量 较多时称北投石。

其物理性状：纯净的晶体无色透明，一般 呈白色；透明；玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽，硬度3〜3.5, 比重 4.3-4.5 o2.1矿床成因分析及矿床形态胶新铁路DK30+330~+429段的重晶石矿位于中生代断 陷盆地胶莱坳陷内，赋存地层为中生代侏罗系莱阳组二段 （J3L2）碎屑岩，围岩特征如下：2.1.1褐紫色页状粉砂岩，泥质粉砂岩夹灰绿色钙质粉、 细砂岩，局部含细砾2.1.2褐紫、紫褐色砾岩夹紫褐色粉砂岩，含砾粉砂岩， 黄绿色页状砂岩本矿属中、小型低度温热脉状充填矿床，主要有：单矿 物重晶石脉、石英一重晶石脉，硫化物一重晶石脉类型，矿 体呈脉体，透镜体状或楔状重晶石多呈白、乳白色、粒状 和自形板状晶体，品位中等，一般含硫酸锁67~75%o矿~体 伴生萤石，石英以及铜、铅等金属硫物，围岩蚀变为硅化、 绿泥石化等，矿体的形成过程为含矿热水溶液（岩浆热液或 火山——次火山热液或地下水热液或变质水热液或混合热 液）在一定的物理化学条件下，在各种有利的构造和岩石中,市充填方式形成的，其成矿过程具下列特征：(1) 、形成矿床的含矿热液是多来源的；(2) 、含矿热液的成份是复杂的，含多种挥发性组合。

如 S、CO2、Cl、F、B 等；(3) 、形成温床低50-200°C o形成深度浅，在地表下 1.5km范围内4) 、构造控制作用极为显著，多种构造空隙既是含矿 热液运移的通道，又常是成矿物质沉淀的场所5) 、成矿时间晚于围岩，属后生矿床6) 、成矿方式为充填式，矿体多呈脉状、网脉状、凸 镜状等形态7) 、矿石物质成份复杂；(8) 、矿床的形成是多期阶段性，并非一次性形成矿床分布见图bl2.2采空区分布与地表塌陷特征结合矿石的成因及开采情况可做如下分析：(1) 、由于成矿呈脉状及透镜体状，楔状等，而且据调 查，个人开采基本不考虑顶板问题，是哪有矿挖哪，故本采 空区的分布极不规则2) 、由于矿床的形成是多阶段性的，而且开采历史较 长，故采空区在纵向分布上不止一层，故对重晶地区需重复 钻孔、注浆3) 、由于巷道内可能有矿渣等堆积物，而且重品石的 成矿呈透镜体、楔状，所以个别巷道的联通性可能不好三、重晶石矿开采方式、采空区分布及地表塌陷重晶石矿井的开采始于解放前，在建国后60年代至80 年代中期，为乡镇企业开采，后由私人业主开采过，后由于 开采成本过高而停产由于开采无计划(无巷道图和本矿的 予留顶板多被回采挖掉)和重晶石矿的成因所致，本矿井的 巷道、斜井等均不规则。

采空区地处剥蚀丘陵缓坡地带，地形稍有起伏，分布有 天然冲沟由于重晶石矿脉的开挖，地表存有顺矿脉走向分 布的沟谷及竖井局部地段有地表塌陷塌陷区一般呈长条 形，顺岩脉走向分布长度小于20m塌陷区呈锅底状，由中 心向四周渐浅，中心处塌陷约lm较大塌陷区长度可达70m, 中心处塌陷深度达3~4mo、重晶石矿区铁路工程地质选线胶新铁路在DK27+300-DK36+500段经过重晶石矿分布 区该段范围内重晶石矿脉分为三段，即 DK29+740-DK29+800 第 I 段、DK30+330-DK30+420 第 II 段、DK30+600〜DK31+100第III段三段矿脉开采年代最远 可追溯到20世纪30年代，现在部分地段仍然正在开采，由 于开采时间跨度大、开采无规划、部分矿井已回填或塌陷以 及当年开挖矿石的部分工人已故去，因此收集资料十分困 难2000.3〜2001.5胶新线定测、补充定测过程中，重点对三 处釆空区进行勘察，查清了影响线位方案的采空区范围、开 采深度以及开釆历史情况在原定测方案的基础上，又补充 绕避方案、部分绕避方案两方案通过对三方案线形、施工 难度、施工费用的对比，比选出合理的线位。

线位方案比选经过1、线位方案情况发现城律矿采空区后曾由大范围改线的方案，再使线形 趋于合理、工程造价较低的情况下，使线位完全避开采空区 但是由于位于采空区范围内的线位左侧有拒城河水库、柴沟 矿重晶石矿采空区、李家庄水库，线位右侧有王吴水库，且 水库及柴沟釆空区距离定测线位最近处仅为2km,考虑到线 位距离水库的安全距离以及柴沟采空区的因素，不存在大范 帀改线的条件因此针对城律矿三处采空区的具体情况，在 定测方案基础上，重新提出绕避方案及部分绕避方案的线路 线位定测方案：线位采用直线形式，以直线形式通过采空区 线位通过第一及第三采矿区，处理措施釆取抛填片石，钻孔 灌浆的方法，处理费用639.9万元该方案线位长度9.2Km, 工程造价6802.0万元绕避方案：此方案以曲线形式绕避三个采空区，较原定 测方案增加两个交点线位长度9.258Km,工程造价6925.0 万元部分绕避方案：该方案以曲线形式避开第一及第三处采 空区，通过第二处采空区第二处采空区处理费用需260.1 万元，线位长度9.254Km,工程造价6645.5万元2、方案推荐部分绕避方案教定测方案优点是线位仅通过第II处采空 区，且第II处采空区较第I、第III处采空区岩脉倾斜角度较 大，采空区处理范围教小，处理难度小，处理后不存在运营 隐患。

绕闭方案虽然完全避开采空区的影响，但是线位线形 较部分绕避方案差，土方工程、桥梁工程明显加大二方案 进行比较，部分绕避方案工程造价最低，较定测方案少156.5 万元，较绕避方案少279.5万元，缺点是线位展长、线位线 形差综合分析三方案的优缺点，推荐部分绕避方案为线位 最终方案比较项目方案名称线位长度(km)土方工程(10W)桥涵工程(延米/座)地质概况取小曲 线半径工程总造价(万元)疋测方案9.245. 32753.1/7通过笫I、III处采空区， 线位与冲沟干扰小6802部分绕避方案9.25448.9681/7通过第II处釆空区，线 位与冲沟干扰大6645. 5绕避方案9.25855. 191211/6绕避3处釆空区,冲沟发692.5五、采空区对铁路工程的影响及处理措施5.1采空区对铁路的影响对线路安全构成威胁的矿井及竖井主要有：3#矿井，位 于改DK30+327左22m,直径1.5m,水深6.0m,竖直累积深 度 100m；改 DK30+310 左 2m,竖井深 5m；改 DK30+325 左3m,竖撅 7m,与3#矿井连通矿井直径一般为1.5~2.0m, 沿岩脉方向向两侧开采，各矿井都已连通。

3#矿井垂直部分 40m,矿井顺岩脉向左水平移动10〜15m后继续顺岩脉方向 向下开挖，共计开挖100m,开挖方式由下朝上挖，一般是 每层开采高度3m,宽l~3m,预留2.5m顶板作支护继续开 挖，废弃矿磴堆弃在底部已开采过的巷道中40m以下3# 矿井主要向左侧开采，向右仅达30m, 4#矿井主要向左方开 采，右面侧岩脉消失，向右面侧仅开釆5m5.2采空区处理521设计参数：路基面每侧加宽1.0m后，路基面宽度 为9.7m,边坡坡度1： 1.5,路堤计算高度按4.0m考虑y 土 取18KN/m3, y嫦取22kN/m3,岩脉宽1 ~3m,与小里程夹 角为72°,倾角70-75°,岩石塌落移动角为76°,地表覆土按3. Om考虑5.2.2按小型釆空区计算处理范围（1）基底应力计算”2 ] X * 4 X52R、= P — =18*3.3*3.6— • 二一6&43KNI mm 1.5p严 p = 2\324KNImH°=b + 4 = 7.23 血m基底最大垂直合应力为bjnax + 濟 142.16册/沪 m弘*（2 +厂）1 + 77?顶板处附加应力计算:b 4.85= 1.62a 4*1.57= 3查奥斯特曲线得 1=0.486, 142.16*0.486*2=138.2kN/m2顶板处应力为 R= 138.2+18*3= 192.2kN/m2(2) 、临界深度计算©为砂岩内摩擦角，取50°, a为巷道半宽，取1.5m。

则安全临界深度为2«/ +J4a2/2 + SayR tan(/). tan2 (45° ——)H = ' 「= 25.51加2/ tan 0. tan2 (45° 一 —)2顶板稳定厚度为1.5*H=38.3m,取39.0m考虑采空高度 为3・0rm上覆土厚3.0m,地面标高为67.0m时，处理深度 为 39.0+3.0+3.0=45m,高程为 67.0-45.0=22.0mo(3) 、处理范围围护带宽度采用5.0m,单侧最大处理宽度为 4.85+4* 1.5+5+3+(67-22-3)/tan76°=29.3m,取 30.0m所要处 理的线路里程为改DK30+337〜DK30+3535.3工程处理措施及施工特点5.3.1工程处理措施(1) 路基面两侧各加宽1.0m；(2) 路堤基床表层填A、B组土，以下填土；(3) 路堤边坡坡度1： 1.5；(4) 路堤两侧坡面采用喷播植草防护；(5) 填土前应先进行采空区处理5.3.2采空区处理具体措施如下：1) 采用碎石冋填改DK30+327左22m之3#矿井及改 DK30+310左2m、改DK30+325左3m之竖井，回填至地面 后采用自流灌注水灰比为1： 1的水泥浆，至井口保持满浆 为止。

2) 对于“注浆孔位平面布置图”所示区域采空区采用 注浆、灌砂加固处理，钻孔采用开孔110mm,终孔不小于 75mm (必要时孔口采用套管护壁)，间距与线路夹角为72° 方向为6.0m,与该方向垂直方向间距2.0m,交错布置注 浆孔应钻至采空位置，各注浆孔孔底设计高程分别为1〜11# 孔：22.0m； 12〜23#孔：27.5m； 24-34#孔：33.0m； 35〜44# 孔：38.5m； 45-53#孔：44m； 54〜63#孔：49.5m； 64-72#孔： 55.0m； 73〜80#孔:60.5m； 81-83#孔钻至巷道钻孔布置见 图303) 注浆次序：先进行边缘孔的钻孔及注浆、灌砂，然 后根据设计孔底高程，按从深至浅的原则进行钻孔及注浆、 灌砂4） 灌注材料和浆液:注浆采用425号普通硅酸盐水泥, 浆液采用纯水泥浆，遇到采空区时在浆液中加入砂子，或用 纯水泥浆向釆空区域冲砂。