重載鐵路壓覆煤炭資源開采地表沉降機理

張 凱

（1．中國礦業大學，江蘇 徐州221008；2．冀中能源集團邢礦集團，河北 邢臺054021）

冀中能源集團邢臺礦區的村莊及鐵路下壓煤量數億噸，為提高煤炭資源回收率，在地表地質條件和采礦條件簡單的地段已進行了鐵路下開采。

近年來，隨著煤炭資源開采強度的加大，賦存在村莊和鐵路之下的煤炭儲量比例逐年提高，而大采高開采引起的地表沉陷給鐵路運輸安全帶來了嚴重威脅，如何科學的預測地表沉降規律，為鐵路工程加固提供依據成為鐵路下煤礦開采的重要課題。

礦區采空區地表沉降是一個長期的復雜的非線性過程，有效的預測沉降方法仍然處于探索階段，預測理論主要是改進的概率積分法和影響函數的方法，通過建立三維空間的力學分層傳遞體系，采用唯象學的方法得到地表沉降公式和地表沉降曲線，該方法在分層開采條件下預測地表沉陷取得了較好的效果［1－5］。

目前鐵路、公路、輸電線等下伏煤炭資源開采取得了較大的進展，許多專家學者進行了科學研究，取得了很多成果。孔祥利設計優化了井下工作面的開采方案，采取了科學的維護措施，保障了鐵路保護煤柱的安全開采［6］；李海洲、楊天鴻采用有限元軟件Comsol Multiphysics對不同開采方案引起的公路地表的沉降進行了數值計算，效果較好［7］；周澤、李青鋒通過地表沉陷預計對鐵路保護煤柱的進行了設計，有效地控制了地表變形，既保證了煤炭資源的采出，又保障了鐵路的安全運營［8］。趙軍運用FLAC3D數值模擬軟件，對工作面上方受開采影響的鐵路進行了數值模擬，設計了最佳的開采方案［9］；胡建軍利用FLAC軟件分析了礦區地表公路受空區群影響的沉降變形特點，較好地預測了最終地表沉降量［10］。

由于礦區地表沉降是一個長期的復雜的非線性過程，上覆地層巖層結構多變，工程地質條件復雜，目前的方法在解決地表沉降的非線性大變形方面遇到了很大的困難，近幾年出現的ABAQUS軟件能夠方便地處理巖體工程中各種復雜的非線性問題，成為了當今巖石力學領域應用得較為廣泛的數值模擬方法。

基于此，本文采用ABAQUS有限元分析軟件進行采空區地表變形規律研究，以得出地表位移與移動速度和開采距離之間的關系，進而科學的預測地表沉降規律，分析鐵路路基沉陷與列車之見的耦合關系，使鐵路工程在開采條件下保持穩定，以達到充分利用地下礦產資源、解決制約煤炭產業發展的后備資源不足問題的目的。

1 工作面開采工程地質條件

工作面埋深410～500m，走向長度646～660m，傾斜長度100～143m，煤層總厚度約6m，煤層傾角2～12°，工作面為一單斜構造，僅有三條落差1m左右的斷層，儲量60萬t。一次采全高。煤層厚度6m，工作面寬度為140m，開采方法為綜采，一次采全高。巖層力學參數見表1。

表1 巖體力學參數表

2 工作面開采地表沉降數值模擬

2．1 數值模型的建立

考慮到礦山巖體的非均質、非線性等特點，以及ABAQUS軟件便于處理復雜邊界條件、能靈活地模擬巖土工程中復雜的施工過程等優點，選用ABAQUS軟件進行數值模擬分析。

為了便于觀測下沉情況，將會在鐵路周圍設立48個觀測點，沿鐵路線長2400m，煤層埋深350m。本模型采用三維建模，X與Y軸方向表示水平面，Z軸表示深度方向。X軸方向上取2000m，Y軸方向上取1000m，Z軸方向600m計算。假設每一步開采30m的長度。開采用20步完成。開采順序為Y軸的負向，如圖1所示。

圖1 工作面開采數值模型圖

邊界條件假設為：底面上沒有X、Y、Z方向位移；左右兩面上沒有X方向位移；前后兩側沒有Y方向位移。層間完全連續。上頂面為自由面，底面為固定約束，左右前后面均施加法向約束。

在部件模塊中繪制了各個地層的三維模塊，在屬性模塊中對各個地層模塊賦予巖層的各個參數，在組裝模塊中將各個地層組合為一個整體。對單元的網格劃分單元型為C3D8R，為8節點六面體縮減積分單元。工作面共劃分了7637個單元。圖2為工作面的網格劃分模型。

巖體的屈服準則采用擴展的D－P模型作為工程巖體的本構關系。

圖2 工作面開采數值模型網格劃分圖

2．2 數值模擬結果分析

2．2．1 工作面X方向地表位移規律

由X方向的節點位移圖可以得到以下結論：①開采結束以后X方向連續變化，X的移動方向在地表是對向移動；②正負移動最大值的絕對值基本是相等的，而且隨著開采的不斷進行，這個絕對值逐漸增大，從36mm增加到了204mm；③移動速度最大值約為5mm／d，隨后移動速度逐漸減小，在開采結束時移動速度減小到1mm／d。

2．2．2 工作面Y方向地表位移規律

由圖5、圖6可看出，隨著開采的不斷進行，位移值是逐漸增大的然后減小，第15步開采后位移達到最大值135mm，在開采結束以后，位移的最大值為120mm。

圖3 開采結束后X方向位移圖／m

圖4 工作面開采過程中X方向位移圖

圖5 開采結束后Y方向地表位移圖／m

Y方向的移動速度是先增加后減小，從每一步移動5mm變為增加為17mm，從第15步開采以后逐漸減小，第15步開采時Y方向位移移動速度出現最大值，第16步開采結束以后速度為零值，在第20步開采結束以后速度變為負值。

2．2．3 工作面Z方向地表位移規律

工作面開采結束以后Z方向的位移如圖7所示。

由圖7可見，隨著開采距離的增加，地表各點的沉降都逐漸增加，在開采200m以后，沉降已經影響到了鐵路。在開采 100m、200m、300m、400m、500m、600m結束以后，地表的最大沉降分別大約為52mm、130mm、230mm、360mm、470mm 和575mm。

圖6 工作面開采過程中Y方向位移圖

圖7 開采結束后Z方向位移圖／m

圖8 工作面開采過程中Z方向位移圖

由圖8可看到以下結論：自切眼開始開采至50m、100m、200m、300m、400m、500m、600m、650m時，其地表下沉分別為0mm、5mm、14mm、38 mm、68mm、120mm、188mm、267mm、359mm、442mm、522mm、581mm、627mm，其下沉速度在推進100m時為0．17mm／d，至200m時為1．2mm／d，當推至300m、350m、400m是下沉速度達到了2．6mm／d和6．8mm／d，至400m 時下沉速度最大為7．9mm／d，至450m時下降到3．06mm／d，開采結束后降至1．15mm／d，自此逐漸趨于穩定。

3 列車荷載與地表沉陷耦合作用數值模擬

列車的豎向的振動作用增大了采空區的沉降，路基變形增加，軌道的不平順增強，列車的振動荷載與地表沉陷的耦合作用給鐵路運營帶來了很大的安全隱患。

分三種工況施加荷載，0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa，探討不同荷載對開采后工作面地表沉降的影響。圖9、圖10分別為為采空區上方地表受力模型工作面3階振型圖，圖10為不同列車荷載分別為0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa時的工作面開采地表沉降圖。

圖9 工作面受力模型

圖10 工作面3階振型圖／m

隨著列車對軌道作用力的增加，地層的最大沉降值以及沉降范圍都顯著增加。由圖11可看出，在荷載為0．5MPa時，僅有采空區上部的鐵路出現了比較大的沉降。最大沉降值為800mm左右；在荷載為2．5MPa時，鐵路沿線均出現了比較明顯的沉降，最大沉降值為940mm左右；當最大荷載增加到12．5MPa時，除了鐵路沿線外，地表均出現了比較大的沉降，最大沉降為1400mm左右，這時在鐵路沿線會出現明顯的三級臺階狀沉降。

4 結 論

1）利用ABAQUS非線性有限元軟件，建立了一次采全高綜采工作面地表變形移動的三維數值模擬模型，進行了地表變形的時空動態預測分析，獲得了地表下沉和位移分布規律。

圖11 列車荷載對采礦區上方地表沉降影響圖

2）隨著開采速度的增加，地表沉降減小，所以在確保安全開采的前提下，應該適當增加開采速度以減小鐵路沉降。

3）工作面上列車振動頻率接近接近2．6Hz時，列車將和鐵路產生共振。這時會給采空區上方地表造成比較大的沉降，所以在通過采空區地段應該控制列車的振動頻率，以減少采空區上方的振動。

4）隨著列車對軌道作用力的增加，地表的沉降顯著增加，所以在通過采空區上方地段應減小列車作用力，以有效地控制鐵路沉降。

［1］ 劉輝，鄧喀中，何春桂，等．超高水材料跳采充填采煤法地表沉陷規律［J］．煤炭學報，2013（S2）：272－276．

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