礦山開采對鐵道影響淺析

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本文作者：葛文杰作者單位：長沙有色冶金設計研究院有限公司

1地下開采對鐵路安全影響的類比法分析

結合考慮礦體的賦存形態、工程地質和水文地質條件和擬采用的采礦方法及空區充填等情況，采用類比法根據與礦山主要條件接近的礦山實測錯動角資料［1-2］，經綜合分析后確定上盤及下盤巖石移動角為70°，端部巖石移動角為75°。武九鐵路等級為一級復線，根據《鐵路運輸安全保護條例》維護帶寬度應達到20m［3］，保護等級為Ⅰ級。根據端部巖石移動角，礦體端部的巖層移動影響范圍見圖2，按現有設計開采范圍，在AB剖面上地表巖移影響范圍將達到Ⅰ級鐵路維護帶內，因此，在AB剖面上各礦體的開采范圍需向西移，其中Ⅳ#礦體應西移3．9m，Ⅲ#礦體應西移6．5m，Ⅴ#礦體應西移12．3m。在下一步的設計中應根據選定的巖層移動角，重新確定各中段的開采邊界，以確保地下開采后引起的巖層移動影響范圍在鐵路安全維護帶以外。

2地下開采對鐵路安全的三維數值模擬與分析

為了更進一步分析地下開采對武九鐵路的安全影響，采用FLAC3D三維數值模擬軟件對礦體回采后的力學行為進行計算與分析。

（1）巖石力學試驗與工程處理

首先應充分了解礦體以及礦體周邊巖體的物理力學性質。通過現場調查，采取了閃長巖、納化閃長巖、硬石膏、大理巖和粉砂巖5種巖石試樣，進行了礦巖容重試驗、單軸壓縮條件下礦巖力學特性試驗以及劈裂抗拉試驗。為了采用數值模擬進行開采擾動影響，需要進一步獲取和分析礦巖的強度參數。根據Hoek，Car-ranza-Torres提出的巖體破壞經驗準則［4-5］:σ1=σ3+(mi/σc+siσ2c槡)．σ''''1=σ''''3+σcimbσ''''3σci()+sa．式中，σ1、σ3為巖石破壞時最大、最小主應力，MPa;σc為巖石單軸抗壓強度，MPa;m、s為經驗參數，m反映巖石軟硬程度，其取值在0．001～25，對于嚴重擾動巖體取0．001，堅硬巖體取25;s反映巖體破碎程度，取值范圍0～1，破碎巖石取0，完整巖體取1。同時，根據室內巖石力學參數試驗和巖體RMR分級結果，采用Roclab軟件進行計算，選取巖體計算力學參數，見表1。

（2）FLAC3D模型的建立

建模范圍:x方向為礦體走向，其范圍:－500～500m;y方向范圍:－500～500m;z方向范圍:－1000～0m。模型x方向1000m，y方向1000m，z方向1000m;礦體單元大小5m×5m×5m，共計43．2萬個單元，見圖3。

（3）數值計算結果分析

圖4為礦體、鐵路、勘探線空間關系圖，將其與礦體投影圖復合形成，從圖中可以看出礦體平面投影的位置。圖5為AB剖面地表整體位移下沉曲線圖，橫坐標為AB線間距離，以A點為始點，B點為終點。3個箭頭指向從左到右分別為:I#2礦體正上方地表位移，即為最大位移處;13線與AB線交點處位移;鐵路所在處位移。數值模擬結果顯示，鐵礦開采后引起的地表最大位移為10．2mm，位于I#2礦體正上方地表處，該區域為半徑30m左右圓形，以此為中心，四周位移量逐漸減小。沿AB剖面13線距鐵路中心線的距離約154m，13線處地表位移為5．0～6．5mm，鐵路處地表位移為3．0～5．5mm。水平方向最大位移為1．24mm，鐵路處地表水平位移不超過0．5mm。計算結果表明，由于該鐵礦地下開采后引起地表移動的絕對值較小，在武九鐵路線路范圍的整體位移量僅為3．0～5．5mm，開采后造成的地表變形值小于保護等級為Ⅰ級的建筑物允許變形值，也滿足鐵路相關規程中規定的兩股鋼軌水平允許差和軌距允許誤差要求。

(1)該鐵礦設計采用充填法開采，控制了冒落與巖移的發展，根據國內外礦山巖層移動資料和礦山開采技術條件分析，確定上盤及下盤巖石移動角為70°，端部巖石移動角為75°。(2)根據確定的巖層移動角，按現有設計開采范圍，在AB剖面上地表巖移影響范圍將達到Ⅰ級鐵路維護帶內，在下一步的設計中應根據選定的巖層移動角，重新確定各中段的開采邊界，以確保地下開采后引起的巖層移動影響范圍在鐵路安全維護帶以外。(3)三維數值模擬計算結果表明，礦體開采后引起的地表最大位移為10．2mm，位于I#2礦體正上方地表處，武九鐵路線路范圍的整體位移量僅為3．0～5．5mm，開采后造成的地表變形值小于保護等級為Ⅰ級的建筑物允許變形值，也滿足鐵路相關規程中規定的兩股鋼軌的水平允許差和軌距允許誤差要求。