高鐵壓覆煤炭資源開采地表變形分析

樊 帥 李慶教

（1.中國建材工業地質勘查中心江蘇總隊，江蘇 南京 211135；2.山東華聯礦業股份有限公司,山東 淄博 256100）

1 引言

隨著時代的進步，高鐵的出現大大方便了人們的出行，由于交通網的發展，高鐵建設不可避免的穿越礦區，而這些礦區內存在大量的采空區和正在開采的工作面，或者計劃開采的工作面，高鐵的通過可能會使大量的煤炭資源的開采受到影響，因此研究高鐵壓覆煤炭資源開采地表的變形是非常必要的，這樣既能保證高鐵的安全運營，又能最大可能的多開采煤炭資源。

本文以“魯南快速鐵路客運通道”菏曲段為背景，模擬高鐵通過礦區采空區引起的地表變形情況，分析高鐵荷載下采空區地表變形情況。

2 工作面概況

本文以山東省兗州市大統礦業有限公司E3112工作面為研究對象，該工作面實際采高為3m，煤層走向長417m，傾向長140m，位于礦區東翼采區北部，埋深約240m，對應地表位置有大橋、高大建筑以及規劃中的菏曲高鐵等地物。菏曲高鐵位于E3112開采工作面西北方向，距離約270m。

3 模型的構建與模擬

根據E3112工作面的地質條件建立模型。由于地質條件復雜，對模型進行了部分簡化。模型建立完成后模擬隨工作面推進地表移動變形情況，然后施加高鐵荷載，得到在荷載條件下采空區地表變形情況。

3.1 模型構建

本文以煤礦的實際煤層賦存條件為背景。模型采用FLAC3D軟件中的本構關系為摩爾—庫倫本構模型，模擬巖層由上到下的巖層及其物理力學參數如表1所示。

表1 巖石物理力學參數表

3.2 建立模型

根據E3112工作面地質條件建立模型，工作面走向長417m，傾向長140m，埋深約240m。為了消除邊界條件的影響，根據經驗假設邊界角為45°，建立模型尺寸為1000×800×411，整個三維模型共劃分8200個單元和87822個節點，煤層傾角按照水平建立。模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部為自由地表。根據覆巖發生變形的情況及覆巖的材料特性，本構模型采用彈塑性本構模型，破壞準則采用摩爾-庫侖屈服準則。

3.3 模擬結果分析

受回采煤層的擾動影響，覆巖初始應力會發生變化，引起地面下沉，地表下沉值隨著工作面的推進不斷加大。本次通過FLAC3D分別模擬工作面推進70m、140m、210m、280m的情況下，分析地表移動隨工作面推進的變化規律。沿煤層走向與傾向各布置一條觀測線，記錄模擬過程中地表下沉值。

由于煤層的開采，地表下沉值不斷增加，下沉盆地也在不斷擴大，由圖2可以看出當工作面推進距離比較小時，如僅開采70m時，采空區上覆巖層移動量較小，加之覆巖有一定的支撐能力，最大下沉值僅為11.8mm。隨著工作面的推進，覆巖進一步被破壞，地表下沉值不斷加大，在推進280m時，最大下沉值達到72.4mm。另外，從圖1中得到最大下沉值位置隨工作面的推進而向前推進，然而最大下沉值位置處在采空區中心位置的后側，這是由于覆巖移動有一定的滯后作用。由圖2可知煤層采空區傾向線最大下沉值位于采空區的中心。

圖1 走向線地表下沉值

圖2 傾向線地表下沉值

3.4 荷載的施加

模擬列車參照有南車青島四方機車車輛股份有限公司生產的CRH380型動車組，起軸重150kN，假定列車內人員及物品總重80kN，且均勻分布在四個車軸上。運行速度350km/h，周期為0.257s。根據列車運行規律與周期特性，列車動荷載模型表達式為:

式中：

P0-車輪靜載；

P1、P2、P3-分別為不同控制條件（平順行、附加動荷載、波面波形磨耗效應）典型值的振動荷載；

ω-振動圓頻率。

將列車動荷載施加到開采后的模型上，以工作面推進280m為例得到荷載施加后的地表沉降云圖。

圖3 走向線下沉值對比圖

圖4 傾向線下沉值對比圖

由圖3、圖4可得，在開采后的數值模擬模型中加載高鐵動荷載，最大下沉值由原本72.4mm增加到78.0mm。由此可見，高鐵動荷載的施加使原本達到平衡狀態的覆巖重新移動，地表產生了新的移動，地表下沉值增加。

4 結論

本文兩位作者在研究生在讀期間共同參與山東省兗州市大統礦業有限公司E3112工作面地表沉降觀測項目，同時以該礦地質條件為基礎進行了高鐵壓覆煤炭資源開采地表變形分析的研究。

通過FLAC3D數值模擬，對煤層開采后地表沉降規律進行了研究，得到如下結論:

（1）隨著工作面的推進，下沉盆地中心位置不斷向工作面推進方向移動；

（2）由于上覆巖層移動的滯后性，煤層走向方向最大下沉值位于工作面中心后側，而傾向方向最大下沉值位于采空區的中間；

（3）FLAC為礦區開采地表移動規律分體提供了方法，可以預測煤炭資源開采后地表移動規律，能有效地預警可能發生的危險，為煤炭資源的開采提供了安全依據，可以盡可能多的開采煤炭資源，又不影響地面的正常生產活動；

（4）高鐵動荷載會使采空區平衡破壞，覆巖產生新的移動，地表下沉值增大。