重金属矿采空区选线与注浆充填加固技术Word格式文档下载.docx

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化学成分组成：

Ba：

65.7SO4：

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。

2.1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，一般含硫酸钡67~75%。

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，由充填方式形成的，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℃。

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1-1

2.2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，而且重晶石的成矿呈透镜体、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1m。

较大塌陷区长度可达70m，中心处塌陷深度达3~4m。

四、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，重点对三处采空区进行勘察，查清了影响线位方案的采空区范围、开采深度以及开采历史情况。

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，且水库及柴沟采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，不存在大范围改线的条件。

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，处理措施采取抛填片石，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。

三方案进行比较，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

线位长度

土方工程

桥涵工程

地质概况

取小曲线半径

工程总造价（万元）

方案名称

（km）

（104m3）

（延米/座）

定测方案

9.2

45.32

753.1/7

通过第I、III处采空区，线位与冲沟干扰小。

6802

部分绕避方案

9.254

48.9

681/7

通过第II处采空区，线位与冲沟干扰大。

6645.5

绕避方案

9.258

55.19

1211/6

绕避3处采空区，冲沟发育。

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，竖井深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1~3m，预留2.5m顶板作支护继续开挖，废弃矿碴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，向右面侧仅开采5m。

5.2采空区处理

5.2.1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。

γ土取18KN/m3，γ砂岩取22kN/m3，岩脉宽1~3m，与小里程夹角为72o，倾角70~75o，岩石塌落移动角为76o，地表覆土按3.0m考虑。

5.2.2按小型采空区计算处理范围

（1）基底应力计算

基底最大垂直合应力为

顶板处附加应力计算：

查奥斯特曲线得I=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

φ为砂岩内摩擦角，取500，a为巷道半宽，取1.5m。

则安全临界深度为

顶板稳定厚度为1.5*H=38.3m，取39.0m。

考虑采空高度为3.0m，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=22.0m。

（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）/tan760=29.3m，取30.0m。

所要处理的线路里程为改DK30+337~DK30+353。

5.3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）采用碎石回填改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72o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3。

3）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，或用纯水泥浆向采空区域冲砂。

砂应为坚硬天然砂，最大粒径不超过2.0mm，含泥量不大于3%，有机物含量不大于3%。

浆液掺入砼或加入外加剂时掺加量应通过现场灌浆试验确定。

浆液水灰比为1：

1~0.5：

1。

浆液必须充分搅拌均匀并测定密度后方可使用。

5）注浆压力和浆液变换：

注浆压力通过注浆试验确定，并在注浆施工过程中予以调整。

注浆浆液应由稀到浓，逐级变换。

6）注浆结束标准；

在规定压力下，当注入率不大于0.4L/min时继续灌注30min或不大于1L/min时继续灌注60min，注浆可以结束。

封孔采用“压力灌浆封孔法”。

5.3.3、注浆工艺与设备

钻孔采用普通工程勘察钻机成孔，成孔后安装套管。

利用专用注浆管注浆，采用上行或下行两种注浆方式。

采空范围内进行专门注浆。

注浆泵选用SYB50—45II液压注浆泵，SYB注浆泵的主要技术性能参数如下表。

注塞直径

冲程

流量

注浆压力

额定压力

电机功率

75cm

0~32次/min

0~16L/min

0~4.9MPa

380v

4kw

单液注浆设备配套包括注浆泵、搅拌罐、储浆罐，以及高压管、球阀等，设备配套连接如下图。

图2-2

注浆工艺流程如下：

钻机就位

搅拌罐加料拌浆

成孔下套管管

连接高压管

注浆

注浆管上提

单孔注浆结束

提管

移至下一孔

每次注浆结束后要及时冲洗注浆泵及注浆管路。

设备及人员配备：

钻孔：

用四台钻机，每台钻机配1名机手和3名钻工，共计16人；

注浆：

四组注浆设备，配备人员为拌浆4人，开泵2人，注浆2人，共计14人。

所需主要设备如下表：

钻机

注浆泵

发电机

储浆罐

拌浆罐

潜水泵

高压管

开关柜

管钎

4台

1~2台

2个

2台

200米

12把

六、注浆加固检测及效果评价

在注浆施工完成后的1个月以后，根据设计要求经研究采用钻探抽芯和物探方法以对注浆加固施工进行工程检测和对注浆效果进行评价。

检测共钻探6孔，其中2孔发现有凝固的水泥柱，水泥柱长30~70cm，强度较好，所有钻孔均无掉钻现象，只有2孔在局部深度有轻微漏水（在这2孔附近的施工钻孔均有不同程度的掉钻，并且均不返水。

）物探的地质雷达和电法测试在所有施工区域共完成了8个断面，均显示采空区域已全部填充。

注浆效果达到设计要求。

七、结语

通过本工程实例可以看出，在采空区铁路选线工作中，应高度重视地质选线的作用，绕避重大的采空区，确保铁路工程安全。

对于无法绕避的小型采空区通过对采空区的矿物的成因分析及开采情况的调查、勘探工作，查清采空区的分布、特征，采取有针对性的处理措施，如本文介绍的坑道回填、注浆加固措施，对今后的采空区加固施工有一定的指导作用。