楊明遠(yuǎn) 郭 威 盧衍民 程曉亮

(山東黃金煙臺設(shè)計研究工程有限公司)

露天地下聯(lián)合開采對地表鐵路影響分析

楊明遠(yuǎn) 郭 威 盧衍民 程曉亮

(山東黃金煙臺設(shè)計研究工程有限公司)

由于某鐵路橋臺出現(xiàn)裂縫，為查明開采活動對鐵路橋臺的影響，依據(jù)地表沉陷理論、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論、有限差分?jǐn)?shù)值計算理論等，采用理論計算、數(shù)值模擬等方法，根據(jù)先露天后地下的實(shí)際采礦活動順序，對某金礦采礦活動造成鐵路史家河橋段的影響進(jìn)行了理論計算和數(shù)值模擬分析。結(jié)果顯示， 礦山開采活動導(dǎo)致鐵路橋臺處最大沉降量為4.02 mm，最大傾斜為0.002 755 mm/m，不會對鐵路安全運(yùn)行造成影響。

鐵路橋臺 露天地下聯(lián)合開采 地表沉陷 數(shù)值模擬

受資源條件影響,多數(shù)礦山露天開采進(jìn)入深部后轉(zhuǎn)向地下開采,國內(nèi)正在或即將要露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山較多,人們對露天轉(zhuǎn)地下開采次生應(yīng)力場對巖體力學(xué)場的影響機(jī)理和復(fù)合擾動下的巖體移動規(guī)律和穩(wěn)定性的研究還不夠,露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)研究工作已滯后生產(chǎn)的需求[1-2]。因此,針對這類礦山開展全面系統(tǒng)的研究,尋找露天轉(zhuǎn)地下開采的合理方法和途徑,將是我國采礦工作者今后一段時間工作的重點(diǎn)之一。由于史家河鐵路橋段橋臺出現(xiàn)裂縫，急需查明開采活動對鐵路橋臺的影響，保證鐵路運(yùn)行安全。

1 礦區(qū)地質(zhì)巖組

根據(jù)巖土形成時代、成因類型、巖性、巖石成分、結(jié)構(gòu)特征以及巖石物理力學(xué)性質(zhì)等，將礦區(qū)巖土劃分13個工程地質(zhì)巖組：人工堆積松散巖組、第四系全新統(tǒng)沖洪積松散堆積巖組、第四系殘坡積松散堆積巖組、萊陽群礫巖巖組、荊山群斜長片麻巖巖組、荊山群大理巖巖組、韌性剪切糜棱巖巖組、脆性斷裂構(gòu)造角礫巖巖組、脆性斷裂含石墨構(gòu)造角礫巖巖組、脆性斷裂碎裂巖巖組、角閃閃長巖巖組、閃長玢巖巖組、金礦體巖組。

2 礦區(qū)數(shù)值模擬計算參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)巖組的劃分，礦區(qū)圍巖主要為礫巖、白石英片巖，本次數(shù)值模擬參數(shù)依據(jù)礦區(qū)地質(zhì)報告選取。巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》，原巖應(yīng)力計算按自重應(yīng)力加側(cè)壓系數(shù)考慮，即

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

δz=γh,

(1)

δx=1.5δz,

(2)

δy=1.2δz,

(3)

式中，δz為垂直應(yīng)力，MPa；δx、δy為水平面相互垂直的應(yīng)力，MPa；γ為巖石容重，kN/m3；h為覆蓋巖層厚度，m。

3 數(shù)值模擬計算方案

為分析礦山開采活動對地表鐵路的影響，沿鐵路方向設(shè)1#～6#模擬觀測點(diǎn)，其中5#、6#點(diǎn)為鐵路橋橋臺位置，為本次數(shù)值模擬主要觀測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 模擬觀測點(diǎn)位置

考慮礦體走向長度約為1 500 m，按-56 m中段為最低開采標(biāo)高建立礦體三維數(shù)值模型[3]，模型尺寸為1 500 m×1 480 m×184 m(x×y×z)，劃分84 840個單元，114 622個節(jié)點(diǎn)。模型中考慮了礫巖、白石英片巖和礦體3種巖性，數(shù)值模型見圖2。

圖2 礦區(qū)三維數(shù)值模型

模擬分析按下述步驟進(jìn)行：

(1)生成初始應(yīng)力場。在前述計算條件下，選用彈性本構(gòu)模型，計算至平衡后對位移場和速度場清零。

(2)進(jìn)行露天坑開挖，分析露天采礦影響。在上一步生成的初始應(yīng)力場條件下，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行彈塑性求解，分析露天開采對地表造成的影響。

(3)進(jìn)行礦體開采，開采厚度為4～6 m。露天開挖后，在應(yīng)力場重新平衡的條件下進(jìn)行地下礦體開挖，模擬地下開采活動造成地表產(chǎn)生的位移量，分析其對史家河鐵路橋造成的影響。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 開采模擬過程

露天開采進(jìn)行分層開挖模擬，開挖部分共劃分為7個臺階，分別為64，54，44，34，24，14，4 m露天臺階；地下開采部分開挖-56，-50 m中段兩部分礦體，礦體開挖后形成采空區(qū)，采空區(qū)不進(jìn)行充填，自然冒落，以增加地下開采影響系數(shù)[4]。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

礦山開采過程中地表總位移云圖見圖3?？芍?/p>

(1)64 m露天臺階開采，臺階采動卸荷，導(dǎo)致露天坑四周沉陷，且以閉坑線為界，垂直坑線軸向生成沉降圈，此時5#、6#點(diǎn)沉陷值為4 mm，傾向南部。

(2)54～4 m臺階開采，坑內(nèi)礦巖產(chǎn)生較大的卸荷，露天坑周邊水平應(yīng)力擠壓作用造成5#、6#點(diǎn)受到垂直應(yīng)力作用，產(chǎn)生向上的豎直位移，最大位移值達(dá)13.2 mm，然而由于地表第四系松散土的作用，豎直向上的應(yīng)力很難傳遞至地表，部分變形值被吸收，實(shí)際地表受影響極弱。

圖3 地表位移云圖

(3)由于地下采空區(qū)的形成吸收部分應(yīng)力集中，南部地表受上向應(yīng)力作用減少，此時5#、6#點(diǎn)豎直位移值均減少，產(chǎn)生沉降，沉降終值為3 mm。

(4)礦山開采過程的模擬表明，最終5#、6#點(diǎn)最大沉降為4，4.02 mm，最大傾斜為0.002 755 mm/m。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 0007—2012)，當(dāng)前條件計算得到的地表變形值及傾斜值均小于規(guī)范規(guī)定。

5 結(jié) 論

礦山開采活動所引起的冒落裂隙帶未發(fā)展至地表，橋梁地基變形值及傾斜值均小于規(guī)范規(guī)定，且橋梁為簡支梁結(jié)構(gòu)，可以吸收部分變形。開采活動不會造成地表塌陷、裂隙，不會對地表鐵路橋構(gòu)成破壞，能夠保證鐵路安全運(yùn)行。

[1] 孟桂芳.國內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采現(xiàn)狀[J].中國有色金屬，2008(2):70-71.

[2] 郭金峰.金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的發(fā)展現(xiàn)狀與對策[J].云南冶金，2003，32(1):7-10.

[3] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社，2005．

[4] 謝文斌，陳曉翔，鄭百生.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005．

2014-08-01)

楊明遠(yuǎn)(1972—)，男，工程師，264000 山東省煙臺市。