樊 帥 李慶教
(1.中國建材工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊,江蘇 南京 211135;2.山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限公司,山東 淄博 256100)
隨著時代的進步,高鐵的出現(xiàn)大大方便了人們的出行,由于交通網(wǎng)的發(fā)展,高鐵建設(shè)不可避免的穿越礦區(qū),而這些礦區(qū)內(nèi)存在大量的采空區(qū)和正在開采的工作面,或者計劃開采的工作面,高鐵的通過可能會使大量的煤炭資源的開采受到影響,因此研究高鐵壓覆煤炭資源開采地表的變形是非常必要的,這樣既能保證高鐵的安全運營,又能最大可能的多開采煤炭資源。
本文以“魯南快速鐵路客運通道”菏曲段為背景,模擬高鐵通過礦區(qū)采空區(qū)引起的地表變形情況,分析高鐵荷載下采空區(qū)地表變形情況。
本文以山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司E3112工作面為研究對象,該工作面實際采高為3m,煤層走向長417m,傾向長140m,位于礦區(qū)東翼采區(qū)北部,埋深約240m,對應(yīng)地表位置有大橋、高大建筑以及規(guī)劃中的菏曲高鐵等地物。菏曲高鐵位于E3112開采工作面西北方向,距離約270m。
根據(jù)E3112工作面的地質(zhì)條件建立模型。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,對模型進行了部分簡化。模型建立完成后模擬隨工作面推進地表移動變形情況,然后施加高鐵荷載,得到在荷載條件下采空區(qū)地表變形情況。
本文以煤礦的實際煤層賦存條件為背景。模型采用FLAC3D軟件中的本構(gòu)關(guān)系為摩爾—庫倫本構(gòu)模型,模擬巖層由上到下的巖層及其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)表
根據(jù)E3112工作面地質(zhì)條件建立模型,工作面走向長417m,傾向長140m,埋深約240m。為了消除邊界條件的影響,根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)邊界角為45°,建立模型尺寸為1000×800×411,整個三維模型共劃分8200個單元和87822個節(jié)點,煤層傾角按照水平建立。模型側(cè)面限制水平移動,模型底面限制垂直移動,模型上部為自由地表。根據(jù)覆巖發(fā)生變形的情況及覆巖的材料特性,本構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型,破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。
受回采煤層的擾動影響,覆巖初始應(yīng)力會發(fā)生變化,引起地面下沉,地表下沉值隨著工作面的推進不斷加大。本次通過FLAC3D分別模擬工作面推進70m、140m、210m、280m的情況下,分析地表移動隨工作面推進的變化規(guī)律。沿煤層走向與傾向各布置一條觀測線,記錄模擬過程中地表下沉值。
由于煤層的開采,地表下沉值不斷增加,下沉盆地也在不斷擴大,由圖2可以看出當(dāng)工作面推進距離比較小時,如僅開采70m時,采空區(qū)上覆巖層移動量較小,加之覆巖有一定的支撐能力,最大下沉值僅為11.8mm。隨著工作面的推進,覆巖進一步被破壞,地表下沉值不斷加大,在推進280m時,最大下沉值達到72.4mm。另外,從圖1中得到最大下沉值位置隨工作面的推進而向前推進,然而最大下沉值位置處在采空區(qū)中心位置的后側(cè),這是由于覆巖移動有一定的滯后作用。由圖2可知煤層采空區(qū)傾向線最大下沉值位于采空區(qū)的中心。
圖1 走向線地表下沉值
圖2 傾向線地表下沉值
模擬列車參照有南車青島四方機車車輛股份有限公司生產(chǎn)的CRH380型動車組,起軸重150kN,假定列車內(nèi)人員及物品總重80kN,且均勻分布在四個車軸上。運行速度350km/h,周期為0.257s。根據(jù)列車運行規(guī)律與周期特性,列車動荷載模型表達式為:
式中:
P0-車輪靜載;
P1、P2、P3-分別為不同控制條件(平順行、附加動荷載、波面波形磨耗效應(yīng))典型值的振動荷載;
ω-振動圓頻率。
將列車動荷載施加到開采后的模型上,以工作面推進280m為例得到荷載施加后的地表沉降云圖。
圖3 走向線下沉值對比圖
圖4 傾向線下沉值對比圖
由圖3、圖4可得,在開采后的數(shù)值模擬模型中加載高鐵動荷載,最大下沉值由原本72.4mm增加到78.0mm。由此可見,高鐵動荷載的施加使原本達到平衡狀態(tài)的覆巖重新移動,地表產(chǎn)生了新的移動,地表下沉值增加。
本文兩位作者在研究生在讀期間共同參與山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司E3112工作面地表沉降觀測項目,同時以該礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)進行了高鐵壓覆煤炭資源開采地表變形分析的研究。
通過FLAC3D數(shù)值模擬,對煤層開采后地表沉降規(guī)律進行了研究,得到如下結(jié)論:
(1)隨著工作面的推進,下沉盆地中心位置不斷向工作面推進方向移動;
(2)由于上覆巖層移動的滯后性,煤層走向方向最大下沉值位于工作面中心后側(cè),而傾向方向最大下沉值位于采空區(qū)的中間;
(3)FLAC為礦區(qū)開采地表移動規(guī)律分體提供了方法,可以預(yù)測煤炭資源開采后地表移動規(guī)律,能有效地預(yù)警可能發(fā)生的危險,為煤炭資源的開采提供了安全依據(jù),可以盡可能多的開采煤炭資源,又不影響地面的正常生產(chǎn)活動;
(4)高鐵動荷載會使采空區(qū)平衡破壞,覆巖產(chǎn)生新的移動,地表下沉值增大。