張　博，王　成，陳建松

(1湖北興冶礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435100；2湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，

湖北 黃石 435003；3黃石市安泰消防工程有限公司，湖北 黃石 435003)

深部礦群開采對(duì)地表專線鐵路安全影響分析

張博1，王成2*，陳建松3

(1湖北興冶礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435100；2湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，

湖北 黃石 435003；3黃石市安泰消防工程有限公司，湖北 黃石 435003)

摘要：為分析研究大冶銅山銅鐵礦深部礦群開采對(duì)地表專線鐵路的安全影響，從礦區(qū)地質(zhì)條件、采空區(qū)塌陷、疏排水、井下爆破震動(dòng)等方面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該礦群在開采過程中均不會(huì)對(duì)地表專線鐵路運(yùn)輸造成影響。

關(guān)鍵詞：礦群；鐵路；影響

收稿日期：2014-10-17

作者簡(jiǎn)介：張博(1967—)，男，工程師，本科。

通訊作者：*王成(1982—)，男，講師，碩士。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2015.05.004

中圖分類號(hào)：X936

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4565(2015)05-0013-04

Abstract：In order to research the safety impact of mining group's deep mining on surface railways in Daye Tongshan Copper Mine,this paper analyzes such aspects as mining geological conditions,underground goaf collapse,hydrophobic drainage,blasting vibration,etc,The results show that the deep mining of this mining group will not exert an influence the surface railway transportation.

Safety Impact Analysis of Mining Groups' Deep Minning on Surface Railway

ZhangBo1,WangCheng2*,ChenJiansong3

(1Hubei Xingye Mining Co.Ltd.,Daye Hubei 435100;2School of Environmental science and Engineering,Hubei Polytechnic

University,Huangshi Hubei 435003;3Huangshi Antai Fire Fighting Engineering Co.,Ltd.,Huangshi Hubei 435003)

Key words：mining groups;railway;influence

1礦區(qū)基本情況

湖北省大冶市銅山銅鐵礦位于大冶市區(qū)西南部，距離大冶市城區(qū)3 km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)114°55′08''，北緯30°30′04''。礦區(qū)地形南高北低，自南部馬叫村低山區(qū)，經(jīng)銅山、銅綠山丘陵低地，再往北為大冶湖，礦區(qū)南部及西部低山區(qū)，西部青山河，由南向北注入大冶湖。402號(hào)礦體為一盲礦體，在-217 m標(biāo)高以下出現(xiàn)，平均厚度5.94 m，呈脈狀急傾斜產(chǎn)出，有膨大和縮小現(xiàn)象。該礦402號(hào)礦體為塊狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，但局部可能發(fā)生掉塊或小塌方。井巷圍巖主要為軟硬相間風(fēng)化巖漿巖工程地質(zhì)巖組、堅(jiān)硬塊狀新鮮巖漿巖與大理巖工程地質(zhì)巖組，其工程地質(zhì)性狀良好，該礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等。401號(hào)礦體除近地表的保安礦層外，現(xiàn)已基本開采完畢。大部分采空區(qū)已經(jīng)充填完畢，目前正在進(jìn)行402礦體開采基建工程，已開拓-300 m中段、-350 m中段、-400 m中段、-500 m中段。該礦區(qū)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)探明地質(zhì)儲(chǔ)量211.4萬t，按照16.5萬t/a規(guī)模計(jì)算，該礦尚可服務(wù)9 a以上。

2鐵路安全現(xiàn)狀及影響分析

2.1　鐵路安全現(xiàn)狀

該礦周邊村莊比較密集，人口稠密。其東部為有色銅綠山礦職工居住區(qū)，南為大冶鋼鐵廠貨場(chǎng)，礦區(qū)外北部約500 m處為有色銅綠山礦露天采場(chǎng)，西北部外圍為三鑫公司(原雞冠咀金礦)。該礦主堅(jiān)井口北西向有原大冶鋼鐵廠鐵路專用線，該鐵路專用線橫穿402礦體群。

礦區(qū)內(nèi)無自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、文教環(huán)境敏感區(qū)、國(guó)家和地方級(jí)文物古跡、珍稀動(dòng)植物保護(hù)物種等。經(jīng)查實(shí)，該礦自開采401號(hào)礦體至今，在礦界范圍內(nèi)從未因疏排水產(chǎn)生巖溶塌陷。1995年8月因開采401號(hào)礦體-20 m采空區(qū)未及時(shí)充填導(dǎo)致地表產(chǎn)生冒落塌陷。至2008年底，401號(hào)礦體開采結(jié)束，該礦投入近500萬元對(duì)淺部開采形成的采空區(qū)進(jìn)行了專項(xiàng)治理，對(duì)地表專線鐵路的安全影響已消除，該鐵路已安全運(yùn)行多年。

2.2　采空區(qū)塌陷對(duì)鐵路運(yùn)輸安全影響分析

礦山在開采過程中會(huì)形成采空區(qū)。402號(hào)礦體開采所選用的采礦方法是充填采礦法，即在采場(chǎng)采礦工序結(jié)束和礦石出完后，迅速將充填材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填，以管理和控制空區(qū)圍巖及其地壓活動(dòng)。該礦標(biāo)準(zhǔn)采場(chǎng)布置的技術(shù)參數(shù)為：長(zhǎng)40 m，寬12.5 m，高50 m，采空區(qū)體積V為25 000 m3。采場(chǎng)采空區(qū)形成后，由于礦巖穩(wěn)固，加之留設(shè)的保安礦柱的作用，空區(qū)的邊幫和頂板一般不會(huì)冒落、垮塌。若礦巖穩(wěn)固性較差，采場(chǎng)空區(qū)的邊幫和頂板會(huì)因巖體內(nèi)應(yīng)力的變化而發(fā)生變形，導(dǎo)致冒落、垮塌[1]。因巖石力學(xué)性質(zhì)的不同，空區(qū)內(nèi)變形和垮塌的程度會(huì)不同，垮塌后所形成的空區(qū)范圍大小也會(huì)不一樣。為了分析該礦402號(hào)礦體群采場(chǎng)空區(qū)形成后，在礦巖極不穩(wěn)固情況下，采空區(qū)周圍巖體產(chǎn)生的變形范圍，特設(shè)定2種情形分別予以論述。

2.2.1采空區(qū)不充填

設(shè)定采空區(qū)體積為25 000 m3，按《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定，巖體松散系數(shù)K取1.5,即1.0 m3的巖體塌落后因松散可填充1.5 m3的空間,則該采場(chǎng)的頂板可能塌落的巖體總量為Q=16 666 m3；采場(chǎng)面積S=500 m2，可能塌落的高度H=33.34 m；采空區(qū)垮落圍巖的高度N=0.67 m。

《大冶市銅山銅鐵礦402號(hào)銅鐵礦體群初步設(shè)計(jì)》(湖北省地質(zhì)礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司提交，以下簡(jiǎn)稱《初步設(shè)計(jì)》)確定-350 m中段為首采中段，-350 m中段在同一時(shí)間內(nèi)把礦石都采完出盡，則-350 m中段采場(chǎng)頂板可能塌落的高度H1=83.34 m，即可塌至-266.6 m。隨著開采深度的加深，若采空區(qū)不充填，礦巖不穩(wěn)定，留設(shè)的保安礦柱不起作用，那么礦體圍巖的垮落高度還會(huì)上升。該礦402號(hào)礦體設(shè)計(jì)的開采深度為-500 m，采空區(qū)垂深為200 m，則垮落的高度為134 m,即-300 m以上可能垮落到-166 m水平。

2.2.2采空區(qū)充填

依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)對(duì)采空區(qū)實(shí)施膠結(jié)充填后，采空區(qū)的范圍近乎零。考慮到充填接頂不完全、充填體自身會(huì)收縮和井巷工程的影響，充填后的范圍十分有限，一般不會(huì)超過2 m高。這樣的空間高度即使發(fā)生頂板冒落，-500 m、-450 m、-400 m、-350 m這4個(gè)中段全加起來也僅有8 m高，其塌落的高度也只有13.36 m，即在縱向方向上也只可能塌落到-286.64 m水平。

綜上所述，該礦開采后形成的采空區(qū)，無論充填與否，均不會(huì)因空區(qū)圍巖垮塌而對(duì)地表鐵路專線造成影響。

2.3　礦山疏排水對(duì)地表專線鐵路安全影響分析

根據(jù)巖土力學(xué)理論，基巖在地下水疏干后，巖體內(nèi)部含水量降低，其強(qiáng)度和力學(xué)性能將會(huì)增加，因而沉降計(jì)算時(shí)不需考慮礦山排干后下伏基巖的沉降問題，在這里只需考慮地表第4系土層的固結(jié)沉降[1]。

礦區(qū)開采過程中的疏干排水，會(huì)造成地表產(chǎn)生一定程度的不均勻沉降。淺部401號(hào)礦體開采時(shí)，采用隨機(jī)介質(zhì)模型理論和基于巖土力學(xué)理論的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)路基沉降進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明其最終下沉量為100 mm，由此產(chǎn)生的地表傾斜最大值為0.5 mm/n,符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

該礦401號(hào)礦體開采深度控制在-100 m以上，經(jīng)過多年開采和礦山疏排水，其地表第4系粘土履蓋層已固結(jié)。401號(hào)礦體勘探線剖面圖顯示，該礦地層分布呈如下規(guī)律：+40 m至+20 m為第4系粘土、亞粘土等坡積物履蓋層；+20 m至-150 m為上部大理巖；-150 mm至-280 m為花崗閃長(zhǎng)巖；-280 m以下為下部大理巖。上部大理巖與下部大理巖在礦區(qū)范圍內(nèi)不連通，中間為一隔水層。因此，當(dāng)402號(hào)礦體群開采疏排水時(shí)，即使個(gè)別溶洞疏排水形成空洞，由于與上部溶洞裂隙沒有溝通，因而不會(huì)對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)地表產(chǎn)生沉降影響。

綜上所述，該礦淺部401號(hào)礦體開采已經(jīng)結(jié)束多年，其疏排水對(duì)地表建筑物造成的影響已經(jīng)顯現(xiàn)，地表鐵路安全運(yùn)行多年；深部的402號(hào)礦體開采疏排水，由于礦區(qū)范圍內(nèi)下部含水層與上部含水層不連通，故對(duì)地表專線鐵路運(yùn)輸安全不會(huì)造成影響。

2.4　井下爆破震動(dòng)對(duì)鐵路安全影響分析

2.4.1爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)

衡量爆破地震強(qiáng)度的參數(shù)包括位移、速度和加速度，井下爆破對(duì)地面建筑物的破壞程度主要取決于質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度?！侗瓢踩?guī)程》(GB6722-2011)規(guī)定“一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破地震安全性，應(yīng)滿足安全震動(dòng)速度的要求”[2]，并規(guī)定了建(構(gòu))物質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)(具體見表1)。

表1　爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)

注:①表列頻率為主振頻率，系指最大振幅所對(duì)應(yīng)波的頻率。②頻率范圍可根據(jù)類似工程或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形選擇，選取頻率時(shí)亦可參考下列數(shù)據(jù)：硐室爆破<20 Hz；深孔爆破10～60 Hz；淺孔爆破40～100 Hz。③選取建筑物安全允許震速時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、建筑物質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基因素等。④省級(jí)以上(含省級(jí))重點(diǎn)保護(hù)古建筑的安全允許振速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報(bào)相應(yīng)文物管理部門批準(zhǔn)。⑤選取隧道、巷道安全允許振速時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、圍巖狀況、斷面大小、埋深大小、爆源方向、地震振動(dòng)頻率等因素。⑥非擋水新澆大體積砼的安全允許振速，可按表1中給出的上限值選取[3]。

2.4.2爆破安全距離與爆破振動(dòng)速度

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，爆破振動(dòng)安全距離可按下式計(jì)算：

R=(K/V)1/aQm

(1)

式(1)中：R表示爆破地震安全距離;Q表示爆藥量(kg),其中齊發(fā)爆破取總爆藥量,微差爆破或秒差爆破取最大一段藥量,該工程采礦一次使用爆藥量為20～40 kg，Q值取40；V表示地震安全速度[4]，該礦地表建筑物主要為居民房屋，為一般磚房，V值取2.5 cm/s；1/a表示藥包形狀系數(shù)，歐美等西方國(guó)家系數(shù)通常取0.5，我國(guó)和前蘇聯(lián)取1/3；K、a分別表示與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)(具體見表2)。

表2　爆區(qū)不同巖性的K、a值

該礦礦巖硬度屬中硬巖石地質(zhì)條件，取K=250，a=1.8；對(duì)于中硬巖石地質(zhì)條件，一般炸藥使用量為40 kg時(shí)，計(jì)算得爆破地震安全距離R為45 m，即距離爆點(diǎn)45 m范圍內(nèi)的建筑物將不同程度地受到爆破振動(dòng)的影響，其振動(dòng)水平將高于標(biāo)準(zhǔn)限額2.5 cm/s。根據(jù)式(1)可預(yù)測(cè)距離爆點(diǎn)不同位置的振動(dòng)速度(具體見表3)。

表3　距離爆點(diǎn)不同位置的振動(dòng)速度

按《初步設(shè)計(jì)》要求，該礦402號(hào)礦體采礦范圍在-300 m以下，而原401號(hào)礦體基本采完，主要爆破點(diǎn)在-300 m以下。爆破點(diǎn)與居民點(diǎn)的最近距離大于爆破安全允許距離45 m，居民房屋屬于《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)中“一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物”范圍[5]；爆破作業(yè)對(duì)距離爆破點(diǎn)384 m處造成的振速<0.08 cm/s,這遠(yuǎn)小于居民房屋的安全允許振速2～3 cm/s。因此，該礦生產(chǎn)中的爆破活動(dòng)不會(huì)對(duì)附近居民點(diǎn)的房屋產(chǎn)生爆破性影響，同理對(duì)地表鐵路專線的影響也將很小。

3礦山開采期間鐵路安全防范措施

經(jīng)綜合分析，該礦生產(chǎn)期間形成的采空區(qū)、礦山疏排水、爆破活動(dòng)等三大因素對(duì)地表鐵路專線安全運(yùn)輸?shù)挠绊懳⒑跗湮?，但為了確保萬無一失，礦山在開采期間仍需強(qiáng)化安全管理，并采取以下防范措施[4-6]，確保安全。

3.1　及時(shí)充填采空區(qū)

對(duì)采場(chǎng)殘礦進(jìn)行回收，該礦要按《初步設(shè)計(jì)》要求及時(shí)充填采空區(qū)，以及時(shí)控制采空區(qū)變形和礦山地壓活動(dòng)。

3.2　留設(shè)保安礦柱

1)原401號(hào)礦體-100 m以上已基本開采結(jié)束，但仍留有部份殘留礦柱，在402號(hào)礦體開采期間不得開采此類殘留礦柱。

2)402號(hào)礦體深部開采期間不得開采-100 m以上小礦體。

3.3　建立地表鐵路專線變形監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)地表鐵路沿線20 m范圍設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)并作好記錄，配備專門觀測(cè)人員，制定必要的防治方案和應(yīng)急預(yù)案，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。

3.4　加強(qiáng)對(duì)爆破作業(yè)和疏排水的管控

1)按設(shè)計(jì)采用多段微差爆破工藝，控制一段爆破藥量。

2)繼續(xù)配置足夠的排水設(shè)備，加強(qiáng)設(shè)備維修、保養(yǎng)，作好排水記錄，隨時(shí)監(jiān)測(cè)水量變化。

3.5　切實(shí)做好相關(guān)監(jiān)測(cè)工作

1)加強(qiáng)對(duì)巖溶塌陷區(qū)的監(jiān)測(cè)。

2)加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)地表變形的監(jiān)測(cè)。

3)做好大地變形監(jiān)測(cè)工作。

4)做好宏觀地質(zhì)巡視監(jiān)測(cè)工作。

參 考 文 獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)