露天地下聯(lián)合開采對地表鐵路影響分析

楊明遠 郭 威 盧衍民 程曉亮

(山東黃金煙臺設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 郭 威 盧衍民 程曉亮

(山東黃金煙臺設計研究工程有限公司)

由于某鐵路橋臺出現裂縫，為查明開采活動對鐵路橋臺的影響，依據地表沉陷理論、連續(xù)介質力學理論、有限差分數值計算理論等，采用理論計算、數值模擬等方法，根據先露天后地下的實際采礦活動順序，對某金礦采礦活動造成鐵路史家河橋段的影響進行了理論計算和數值模擬分析。結果顯示， 礦山開采活動導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，不會對鐵路安全運行造成影響。

鐵路橋臺 露天地下聯(lián)合開采 地表沉陷 數值模擬

受資源條件影響,多數礦山露天開采進入深部后轉向地下開采,國內正在或即將要露天轉地下開采的礦山較多,人們對露天轉地下開采次生應力場對巖體力學場的影響機理和復合擾動下的巖體移動規(guī)律和穩(wěn)定性的研究還不夠,露天轉地下開采技術研究工作已滯后生產的需求[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之一。由于史家河鐵路橋段橋臺出現裂縫，急需查明開采活動對鐵路橋臺的影響，保證鐵路運行安全。

1 礦區(qū)地質巖組

根據巖土形成時代、成因類型、巖性、巖石成分、結構特征以及巖石物理力學性質等，將礦區(qū)巖土劃分13個工程地質巖組：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、脆性斷裂構造角礫巖巖組、脆性斷裂含石墨構造角礫巖巖組、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)數值模擬計算參數

根據礦區(qū)地質巖組的劃分，礦區(qū)圍巖主要為礫巖、白石英片巖，本次數值模擬參數依據礦區(qū)地質報告選取。巖體物理力學參數取值見表1。

根據《有色金屬采礦設計規(guī)范》，原巖應力計算按自重應力加側壓系數考慮，即

表1 巖體物理力學參數

δz=γh,

(1)

δx=1.5δz,

(2)

δy=1.2δz,

(3)

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

3 數值模擬計算方案

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

圖1 模擬觀測點位置

考慮礦體走向長度約為1 500 m，按-56 m中段為最低開采標高建立礦體三維數值模型[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。模型中考慮了礫巖、白石英片巖和礦體3種巖性，數值模型見圖2。

圖2 礦區(qū)三維數值模型

模擬分析按下述步驟進行：

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

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

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

4 數值模擬分析

4.1 開采模擬過程

露天開采進行分層開挖模擬，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)不進行充填，自然冒落，以增加地下開采影響系數[4]。

4.2 數值模擬結果

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#點沉陷值為4 mm，傾向南部。

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

圖3 地表位移云圖

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

(4)礦山開采過程的模擬表明，最終5#、6#點最大沉降為4，4.02 mm，最大傾斜為0.002 755 mm/m。依據《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 0007—2012)，當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 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，且橋梁為簡支梁結構，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成破壞，能夠保證鐵路安全運行。

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

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

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

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

2014-08-01)

楊明遠(1972—)，男，工程師，264000 山東省煙臺市。