露天轉(zhuǎn)地下開采對礦區(qū)地表鐵路安全的影響

李同鵬 白 林

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.建平深井礦業(yè)有限責(zé)任公司)

安徽某硫鐵礦采用露天開采多年。隨著露天可采資源的日益減少，該礦山即將轉(zhuǎn)入地下開采，露天坑?xùn)|北側(cè)有一條貨運鐵路專線通過，鐵路專線位于露天轉(zhuǎn)地下開采移動范圍內(nèi)，開展地下開采引起地表移動對鐵路安全影響的研究對保護(hù)貨運鐵路安全和開發(fā)利用資源具有重要意義。

1 開采技術(shù)條件

礦山露天采場設(shè)計開采至－156 m水平，露天開采將于2018年全部結(jié)束。開采結(jié)束后，在露天坑底進(jìn)行防滲處理后采用掘進(jìn)廢石、充填剩余尾砂和固體廢料磷石膏進(jìn)行分層碾壓回填，回填最終標(biāo)高為－106 m。轉(zhuǎn)地下開采范圍位于露天采場正下方，設(shè)計開采標(biāo)高－180 m水平以下的礦體。

貨運專線鐵路位于露天轉(zhuǎn)地下開采范圍中部，露天采場封閉圈東北側(cè)(見圖1)，與露天采坑坡頂?shù)淖罱嚯x為40 m，處在開采移動界限內(nèi)的長度為970 m。

圖1 鐵路與開采范圍關(guān)系

露天轉(zhuǎn)地下開采范圍內(nèi)5～17號勘探線設(shè)計利用資源儲量約4 000萬t。若采取留設(shè)保安礦柱的方式，一是將損失大量可采儲量，經(jīng)濟(jì)上不可取;二是在礦體中部留設(shè)保安礦柱，將對整個地下開采系統(tǒng)的通風(fēng)、排水和運輸帶來困難，技術(shù)上不合理。

2 開采方案

地下開采設(shè)計采用上向水平分層充填采礦法，露天采場與地下采場之間保留24 m的安全境界頂柱。

一期開采－180～－380 m水平之間的礦體，首采中段為－230 m中段。垂直方向上，中段高度50 m，分段高度9.9 m，分層高度3.3 m;水平方向上，礦塊垂直礦體走向交替布置，長度為礦體水平厚度，寬度分別為礦房14 m，礦柱10 m。

3 地下開采對地表鐵路的安全影響

鐵路是修筑于地表的條帶狀構(gòu)筑物，機車運行安全與鐵路軌道的平直狀況有極大的關(guān)系。在鐵路下采礦到達(dá)一定規(guī)模后，開采形成的采空區(qū)頂板在上覆巖層自重力作用下發(fā)生緩慢變形，自下向上形成崩落帶、裂隙帶和彎曲帶，最上部的彎曲帶距地表越近，地表沉降變形越大，對鐵路路基的破壞就越嚴(yán)重。

該鐵路屬于工廠貨運專用鐵路支線，僅作為工廠貨物進(jìn)出的通道，除機車駕駛?cè)藛T外，無其他乘客，安全保護(hù)等級屬Ⅲ級。

3.1 概率積分法預(yù)測路基變形

假設(shè)對礦體完全開采，即采用空場采礦法回收全部礦體情況下，采用概率積分法計算地面建(構(gòu))筑物沉降主要從沉降值、水平變形值、傾斜值和曲率4個參數(shù)衡量其變形情況［1］。

最大沉降值

最大水平變形值

最大傾斜值

最大曲率

式中，Cx、Cy為走向、傾向采動系數(shù);W0為走向、傾向均充分采動時地表最大沉降值;r0、r1、r2為走向、最大開采深度、最小開采深度影響半徑;l、L為走向、傾向計算開采長度;U為水平移動值;α為礦體傾角;D1、H0為走向開采長度、深度;S0為走向拐點偏距;m為礦體厚度;q為下沉系數(shù)。

經(jīng)計算，一期開采最深至－380 m水平，地表最大沉降值Wmax=171.84 mm，最大水平變形值εmax=0.448 mm/m，最大傾斜值imax=0.982 mm/m，最大曲率Kmax=0.008 5 mm/m2。該硫鐵礦實施轉(zhuǎn)地下開采后，對地表鐵路路基的變形影響參數(shù)均小于Ⅲ級建(構(gòu))筑物允許變形值。

3.2 數(shù)值分析法計算路基變形

采用ANSYS有限元分析軟件，選用Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則，并根據(jù)礦山地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場力學(xué)試驗，采用的相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀及礦體賦存狀態(tài)，模擬比較上向順序開采和下向順序開采對鐵路沉降位移的影響結(jié)果見圖2、圖3。由圖2可以看出，采用上向開采順序，首采中段－380 m中段開采完畢時，鐵路路基最大沉降位移量為14.9 mm;采用下向開采順序，首采中段－230 m中段開采完畢時，最大沉降位移量為14.4 mm。從圖3可以看出，礦體全部回采結(jié)束后，鐵路路基形成的最大沉降位移為15.7 mm。

圖2 首采中段位移云圖

圖3 最終位移云圖

比較上向和下向2種開采順序，地下開采造成的鐵路路基沉降位移的變化率分別為2.67 mm/中段和4.33 mm/中段。上向開采順序?qū)Φ乇龛F路的影響明顯小于下向開采。

4 結(jié)論

通過概率積分計算和數(shù)值模擬分析，最終獲得的鐵路路基最大沉降值分別為171.84 mm和15.7 mm，考慮概率積分計算參數(shù)取值的影響，2種計算結(jié)果基本一致，均處于Ⅲ級保護(hù)建(構(gòu))筑物允許變形值范圍內(nèi)。

通過數(shù)值模擬計算，該礦體采用上向開采順序明顯優(yōu)于下向開采順序。一是地下開采引起鐵路路基沉降位移的變化率較小;二是對露天坑底及上盤邊坡的影響較小。

［1］ 孫鳳余，鄭 偉，等.概率積分法在礦山環(huán)境開采沉陷預(yù)測評估中的應(yīng)用［J］.四川環(huán)境，2009(2):90-93.

［2］ 金連生，牟金鎖.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.