露天轉地下開采對礦區地表鐵路安全的影響

李同鵬 白 林

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.建平深井礦業有限責任公司)

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，該礦山即將轉入地下開采，露天坑東北側有一條貨運鐵路專線通過，鐵路專線位于露天轉地下開采移動范圍內，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貨運鐵路安全和開發利用資源具有重要意義。

1 開采技術條件

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

貨運專線鐵路位于露天轉地下開采范圍中部，露天采場封閉圈東北側(見圖1)，與露天采坑坡頂的最近距離為40 m，處在開采移動界限內的長度為970 m。

圖1 鐵路與開采范圍關系

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

2 開采方案

地下開采設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筑物，機車運行安全與鐵路軌道的平直狀況有極大的關系。在鐵路下采礦到達一定規模后，開采形成的采空區頂板在上覆巖層自重力作用下發生緩慢變形，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重。

該鐵路屬于工廠貨運專用鐵路支線，僅作為工廠貨物進出的通道，除機車駕駛人員外，無其他乘客，安全保護等級屬Ⅲ級。

3.1 概率積分法預測路基變形

假設對礦體完全開采，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)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;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。

經計算，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。該硫鐵礦實施轉地下開采后，對地表鐵路路基的變形影響參數均小于Ⅲ級建(構)筑物允許變形值。

3.2 數值分析法計算路基變形

采用ANSYS有限元分析軟件，選用Drucker－Prager屈服準則，并根據礦山地質調查和現場力學試驗，采用的相關力學參數見表1。

表1 礦巖物理力學參數

根據礦山開采現狀及礦體賦存狀態，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。上向開采順序對地表鐵路的影響明顯小于下向開采。

4 結論

通過概率積分計算和數值模擬分析，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取值的影響，2種計算結果基本一致，均處于Ⅲ級保護建(構)筑物允許變形值范圍內。

通過數值模擬計算，該礦體采用上向開采順序明顯優于下向開采順序。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境開采沉陷預測評估中的應用［J］.四川環境，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與壓煤開采規程［M］.北京:煤炭工業出版社，2000.