新城金礦深部資源擴(kuò)采對(duì)地表鐵路的影響研究

劉 濱

（山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦）

由于鐵路服務(wù)年限長(zhǎng)，覆蓋面積廣，鐵路下開(kāi)采不同于其他建筑物下開(kāi)采，一旦出現(xiàn)問(wèn)題則會(huì)影響全線。國(guó)內(nèi)在地下開(kāi)采引起地表移動(dòng)方面做了大量研究，主要方法有理論計(jì)算［1］、數(shù)值模擬［2］及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)［3］。譚志祥等［4］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取了地表移動(dòng)參數(shù)，采用概率積分法對(duì)石臺(tái)煤礦鐵路橋下開(kāi)采進(jìn)行了沉陷預(yù)計(jì)；李海洲等［5］采用有限元力學(xué)分析軟件Comsol研究了孟家崗鐵礦開(kāi)采對(duì)礦區(qū)內(nèi)鐵路的影響；葉新榮等［6］運(yùn)用條帶開(kāi)采沉陷理論對(duì)劉家口煤礦采空區(qū)引起地表鐵路移動(dòng)變形進(jìn)行了分析；王志國(guó)等［7］采用FLAC數(shù)值模擬分析了小王莊鐵礦開(kāi)采對(duì)鐵路路基的影響；李同鵬等［8］采用概率積分法計(jì)算了某硫鐵礦上方鐵路的移動(dòng)變形。以上研究為鐵路下采礦提供了可靠的依據(jù)。

本研究采用FLAC3D數(shù)值模擬方法著重分析新城金礦采選擴(kuò)建范圍內(nèi)礦體開(kāi)采對(duì)地表鐵路的影響，以期為新城金礦采選擴(kuò)建工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

新城金礦采選擴(kuò)建工程主要為新城、滕家、曲家3個(gè)礦區(qū)。其中，新城礦區(qū)為已有工程，滕家、曲家礦區(qū)為新建工程，其構(gòu)造位置處于“新城焦家斷裂帶新城段”，擴(kuò)建范圍內(nèi)礦體上盤(pán)圍巖有絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖，礦體下盤(pán)圍巖為絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖，巖體結(jié)構(gòu)完整，以整體塊狀結(jié)構(gòu)為主。礦體賦存在-630～-1 680 m，其中滕家礦區(qū)資源賦存在-630～-1 330 m，曲家礦區(qū)資源賦存在-880～-1 680 m，新城深部礦區(qū)的資源主要分布在-1 080 m中段，基建開(kāi)拓深度為-1 330 m，擴(kuò)建范圍內(nèi)礦體厚度較小，平均厚度為6 m，平均傾角為20°，大家洼—萊州—龍口鐵路（簡(jiǎn)稱大萊龍鐵路）從礦區(qū)西側(cè)通過(guò)?？紤]到回采實(shí)際情況，本研究將部分不具有回采價(jià)值的礦體（極薄或極小礦體）按圍巖處理，以期達(dá)到三維地質(zhì)模型與新城金礦實(shí)際回采范圍最大程度接近。礦區(qū)三維模型如圖1所示。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 開(kāi)采方案

根據(jù)前期可行性研究，礦床回采順序總體上為垂直方向先開(kāi)采上中段、后采下中段；若相鄰中段同時(shí)作業(yè)，上中段回采超前距離大于1～2個(gè)礦塊的長(zhǎng)度。因此，應(yīng)首先考慮受開(kāi)采引起地表最大沉降量的可能性，故擬定模擬方案為賦存地下礦體一次性全部開(kāi)采并充填。

2.2 模型的建立

根據(jù)新城金礦采選擴(kuò)建工程范圍內(nèi)礦體條件建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型以礦體走向?yàn)閅軸，礦體傾向方向?yàn)閄軸，鉛垂方向?yàn)閆軸。計(jì)算模型在X方向上的長(zhǎng)度為3 400 m，Y方向上的長(zhǎng)度為3 600 m，Z方向上的高度為1 710 m，共劃分749 241個(gè)單元，129 773個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)巖體的巖性、結(jié)構(gòu)類型、巖體強(qiáng)度、巖塊硬度等方面的不同，可將礦床的工程地質(zhì)條件大致可分為5個(gè)區(qū)：第四系松散軟弱巖層工程地質(zhì)條件不良區(qū)（I）；基巖風(fēng)化帶及主斷裂面附近工程地質(zhì)條件較差區(qū)（II）；基巖風(fēng)化帶與上盤(pán)蝕變帶之間工程地質(zhì)良好區(qū)（III）；上盤(pán)及下盤(pán)蝕變帶工程地質(zhì)條件良好區(qū)（IV）；礦底板二長(zhǎng)花崗巖體工程地質(zhì)條件優(yōu)良區(qū)（V）；如圖2所示。

通過(guò)巖體宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)查分析、室內(nèi)試驗(yàn)以及地質(zhì)報(bào)告確定模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)，其中充填體的力學(xué)參數(shù)與新城金礦現(xiàn)采用的參數(shù)一致（表1），同時(shí)本次數(shù)值模擬采用含拉伸截?cái)嗟哪?庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。依據(jù)深部地應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)模型施加梯度應(yīng)力邊界及重力場(chǎng)。

3 結(jié)果分析

通過(guò)在模型走向方向1 250 m處設(shè)置剖面來(lái)觀察地表的位移變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由以上結(jié)果可知，當(dāng)采完及時(shí)充填時(shí)，地表最大下沉量在6 mm左右，本研究假定變形小于5 mm時(shí)，該區(qū)域?qū)儆诜菙_動(dòng)區(qū)，據(jù)此劃分為非擾動(dòng)區(qū)、擾動(dòng)變形區(qū)以及開(kāi)挖損傷區(qū)（圖3（d））。擾動(dòng)變形區(qū)可擴(kuò)展至距離地表以下216 m處，而開(kāi)挖損傷區(qū)只是分布在采區(qū)周邊，這也與采后充填時(shí)圍巖周邊產(chǎn)生的拉剪塑性區(qū)基本一致。通過(guò)提取數(shù)據(jù)，得到地表大萊龍鐵路豎向沉降量和水平偏斜量，如圖4所示。

從圖4中的數(shù)據(jù)可以看出，采區(qū)充填后鐵路沿線的最大沉降量為2.7 mm，鐵路線的最大水平偏斜量為3.55 mm，均符合安全規(guī)程要求。由于滕家礦區(qū)地下賦存礦體較厚大，開(kāi)采后，地表鐵路線在滕家礦區(qū)上盤(pán)附近沉降量較曲家礦區(qū)上盤(pán)大。因此可以確定地下開(kāi)采伴隨膠結(jié)充填時(shí)，圍巖產(chǎn)生的變形不能擴(kuò)展至地表，不會(huì)影響地表鐵路正常運(yùn)營(yíng)。

4 地表沉降監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇

采用SD-226型液壓式靜力水準(zhǔn)儀，該液壓式靜力水準(zhǔn)儀是由儲(chǔ)液器、進(jìn)口高精度芯體和特殊定制電路模塊等組成，適用于測(cè)量地量程小、精度高的液位測(cè)量，主要應(yīng)用于地鐵隧道、樓房地基沉降、大壩的測(cè)量，測(cè)量方式采用24 h自動(dòng)無(wú)間斷監(jiān)測(cè)。

液壓式靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置GPRS模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳至云端平臺(tái)，客戶端以訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)的形式查看監(jiān)測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累積變形值隨時(shí)間的變形曲線。

4.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的常用布置方法有2類，第一類為“線”形，該類布置方式以第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，各傳感器以并聯(lián)的方式連接于主電纜線，“線”形式可以是一整條線路（例如用于地鐵、隧道及大壩等沉降監(jiān)測(cè)），也可以為多條相互垂直或者斜交的線路，每條線路相互獨(dú)立（多用于采礦領(lǐng)域監(jiān)測(cè)地表移動(dòng)盆地的沉降規(guī)律）；第二類為“環(huán)”形，該類布置方式同樣以第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，各傳感器并聯(lián)于主電纜線，主電纜線以環(huán)形布置于監(jiān)測(cè)區(qū)域，該方式主要用于監(jiān)測(cè)地表建筑物的沉降規(guī)律。值得注意的是，不論采用何種布置方式，都需要考慮因監(jiān)測(cè)線路過(guò)長(zhǎng)所引起非必要的功耗而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常使用的情況，這主要與傳感器的額定輸入電壓、傳感器內(nèi)部電阻及線纜電阻等因素相關(guān)，因此在設(shè)備、電纜選型及監(jiān)測(cè)方案制定時(shí)需要計(jì)算相關(guān)功耗從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

設(shè)備類型及監(jiān)測(cè)布置方案確定后，在相鄰兩靜力水準(zhǔn)儀之間布置氣管、連通液管及供電線路。將第一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)設(shè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，第一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀一側(cè)的氣管與連通液管與儲(chǔ)液罐連接，另一側(cè)與第二個(gè)靜力水準(zhǔn)儀相連，而后依次連接至第n個(gè)靜力水準(zhǔn)儀。采用四芯電纜將各靜力水準(zhǔn)儀并聯(lián)而后連接至數(shù)據(jù)采集終端，四芯電纜中兩芯用于傳感器供電，其余兩芯用于數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心，監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器通過(guò)HTTP傳輸協(xié)議訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心，用戶可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行查詢、管理、維護(hù)等操作。

距離地表鐵路距離最近的礦體下邊界埋深為1 260 m，上邊界埋深970 m，平均埋深為1 115 m，礦體下邊界離鐵路的水平距離約為100 m。本次監(jiān)測(cè)重點(diǎn)目標(biāo)為鐵路隨開(kāi)采過(guò)程的沉降變化，共布設(shè)N1～N10的10個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)間距5 m。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

地表液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2021年6月15號(hào)安裝，經(jīng)過(guò)調(diào)試后在6月20日正式運(yùn)行。測(cè)線內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖5所示，N2～N5測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值在0 mm處波動(dòng)，該監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地表沒(méi)有發(fā)生沉降；N10測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值在2 mm處波動(dòng)；N7～N9測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變形值不斷變大，隨后開(kāi)始周期性波動(dòng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，N7測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.2 mm，N8測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為7.9 mm，N9測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.7 mm。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬計(jì)算表明，地下采后充填時(shí)，圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)只分布在采空區(qū)周邊，開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)不能延伸至地表，地表處于非擾動(dòng)區(qū)。

（2）采區(qū)充填后鐵路沿線的最大沉降量為2.7 mm，鐵路線最大水平偏斜量為3.55 mm，均符合安全規(guī)程要求，礦體實(shí)際開(kāi)采后地表最大沉降值約為7.9 mm，可以確定新城金礦采選擴(kuò)建工程范圍內(nèi)的采礦活動(dòng)不會(huì)影響到地表鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。