矿山开采对铁道影响浅析

本文作者：葛文杰作者单位：长沙有色冶金设计研究院有限公司

1地下开采对铁路安全影响的类比法分析

结合考虑矿体的赋存形态、工程地质和水文地质条件和拟采用的采矿方法及空区充填等情况，采用类比法根据与矿山主要条件接近的矿山实测错动角资料［1-2］，经综合分析后确定上盘及下盘岩石移动角为70°，端部岩石移动角为75°。武九铁路等级为一级复线，根据《铁路运输安全保护条例》维护带宽度应达到20m［3］，保护等级为Ⅰ级。根据端部岩石移动角，矿体端部的岩层移动影响范围见图2，按现有设计开采范围，在AB剖面上地表岩移影响范围将达到Ⅰ级铁路维护带内，因此，在AB剖面上各矿体的开采范围需向西移，其中Ⅳ#矿体应西移3．9m，Ⅲ#矿体应西移6．5m，Ⅴ#矿体应西移12．3m。在下一步的设计中应根据选定的岩层移动角，重新确定各中段的开采边界，以确保地下开采后引起的岩层移动影响范围在铁路安全维护带以外。

2地下开采对铁路安全的三维数值模拟与分析

为了更进一步分析地下开采对武九铁路的安全影响，采用FLAC3D三维数值模拟软件对矿体回采后的力学行为进行计算与分析。

（1）岩石力学试验与工程处理

首先应充分了解矿体以及矿体周边岩体的物理力学性质。通过现场调查，采取了闪长岩、纳化闪长岩、硬石膏、大理岩和粉砂岩5种岩石试样，进行了矿岩容重试验、单轴压缩条件下矿岩力学特性试验以及劈裂抗拉试验。为了采用数值模拟进行开采扰动影响，需要进一步获取和分析矿岩的强度参数。根据Hoek，Car-ranza-Torres提出的岩体破坏经验准则［4-5］:σ1=σ3+(mi/σc+siσ2c槡)．σ''''1=σ''''3+σcimbσ''''3σci()+sa．式中，σ1、σ3为岩石破坏时最大、最小主应力，MPa;σc为岩石单轴抗压强度，MPa;m、s为经验参数，m反映岩石软硬程度，其取值在0．001～25，对于严重扰动岩体取0．001，坚硬岩体取25;s反映岩体破碎程度，取值范围0～1，破碎岩石取0，完整岩体取1。同时，根据室内岩石力学参数试验和岩体RMR分级结果，采用Roclab软件进行计算，选取岩体计算力学参数，见表1。

（2）FLAC3D模型的建立

建模范围:x方向为矿体走向，其范围:－500～500m;y方向范围:－500～500m;z方向范围:－1000～0m。模型x方向1000m，y方向1000m，z方向1000m;矿体单元大小5m×5m×5m，共计43．2万个单元，见图3。

（3）数值计算结果分析

图4为矿体、铁路、勘探线空间关系图，将其与矿体投影图复合形成，从图中可以看出矿体平面投影的位置。图5为AB剖面地表整移下沉曲线图，横坐标为AB线间距离，以A点为始点，B点为终点。3个箭头指向从左到右分别为:I#2矿体正上方地表位移，即为最大位移处;13线与AB线交点处位移;铁路所在处位移。数值模拟结果显示，铁矿开采后引起的地表最大位移为10．2mm，位于I#2矿体正上方地表处，该区域为半径30m左右圆形，以此为中心，四周位移量逐渐减小。沿AB剖面13线距铁路中心线的距离约154m，13线处地表位移为5．0～6．5mm，铁路处地表位移为3．0～5．5mm。水平方向最大位移为1．24mm，铁路处地表水平位移不超过0．5mm。计算结果表明，由于该铁矿地下开采后引起地表移动的绝对值较小，在武九铁路线路范围的整移量仅为3．0～5．5mm，开采后造成的地表变形值小于保护等级为Ⅰ级的建筑物允许变形值，也满足铁路相关规程中规定的两股钢轨水平允许差和轨距允许误差要求。

(1)该铁矿设计采用充填法开采，控制了冒落与岩移的发展，根据国内外矿山岩层移动资料和矿山开采技术条件分析，确定上盘及下盘岩石移动角为70°，端部岩石移动角为75°。(2)根据确定的岩层移动角，按现有设计开采范围，在AB剖面上地表岩移影响范围将达到Ⅰ级铁路维护带内，在下一步的设计中应根据选定的岩层移动角，重新确定各中段的开采边界，以确保地下开采后引起的岩层移动影响范围在铁路安全维护带以外。(3)三维数值模拟计算结果表明，矿体开采后引起的地表最大位移为10．2mm，位于I#2矿体正上方地表处，武九铁路线路范围的整移量仅为3．0～5．5mm，开采后造成的地表变形值小于保护等级为Ⅰ级的建筑物允许变形值，也满足铁路相关规程中规定的两股钢轨的水平允许差和轨距允许误差要求。