露天转地下开采对矿区地表铁路安全的影响

李同鹏 白 林

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.建平深井矿业有限责任公司)

安徽某硫铁矿采用露天开采多年。随着露天可采资源的日益减少，该矿山即将转入地下开采，露天坑东北侧有一条货运铁路专线通过，铁路专线位于露天转地下开采移动范围内，开展地下开采引起地表移动对铁路安全影响的研究对保护货运铁路安全和开发利用资源具有重要意义。

1 开采技术条件

矿山露天采场设计开采至－156 m水平，露天开采将于2018年全部结束。开采结束后，在露天坑底进行防渗处理后采用掘进废石、充填剩余尾砂和固体废料磷石膏进行分层碾压回填，回填最终标高为－106 m。转地下开采范围位于露天采场正下方，设计开采标高－180 m水平以下的矿体。

货运专线铁路位于露天转地下开采范围中部，露天采场封闭圈东北侧(见图1)，与露天采坑坡顶的最近距离为40 m，处在开采移动界限内的长度为970 m。

图1 铁路与开采范围关系

露天转地下开采范围内5～17号勘探线设计利用资源储量约4 000万t。若采取留设保安矿柱的方式，一是将损失大量可采储量，经济上不可取;二是在矿体中部留设保安矿柱，将对整个地下开采系统的通风、排水和运输带来困难，技术上不合理。

2 开采方案

地下开采设计采用上向水平分层充填采矿法，露天采场与地下采场之间保留24 m的安全境界顶柱。

一期开采－180～－380 m水平之间的矿体，首采中段为－230 m中段。垂直方向上，中段高度50 m，分段高度9.9 m，分层高度3.3 m;水平方向上，矿块垂直矿体走向交替布置，长度为矿体水平厚度，宽度分别为矿房14 m，矿柱10 m。

3 地下开采对地表铁路的安全影响

铁路是修筑于地表的条带状构筑物，机车运行安全与铁路轨道的平直状况有极大的关系。在铁路下采矿到达一定规模后，开采形成的采空区顶板在上覆岩层自重力作用下发生缓慢变形，自下向上形成崩落带、裂隙带和弯曲带，最上部的弯曲带距地表越近，地表沉降变形越大，对铁路路基的破坏就越严重。

该铁路属于工厂货运专用铁路支线，仅作为工厂货物进出的通道，除机车驾驶人员外，无其他乘客，安全保护等级属Ⅲ级。

3.1 概率积分法预测路基变形

假设对矿体完全开采，即采用空场采矿法回收全部矿体情况下，采用概率积分法计算地面建(构)筑物沉降主要从沉降值、水平变形值、倾斜值和曲率4个参数衡量其变形情况［1］。

最大沉降值

最大水平变形值

最大倾斜值

最大曲率

式中，Cx、Cy为走向、倾向采动系数;W0为走向、倾向均充分采动时地表最大沉降值;r0、r1、r2为走向、最大开采深度、最小开采深度影响半径;l、L为走向、倾向计算开采长度;U为水平移动值;α为矿体倾角;D1、H0为走向开采长度、深度;S0为走向拐点偏距;m为矿体厚度;q为下沉系数。

经计算，一期开采最深至－380 m水平，地表最大沉降值Wmax=171.84 mm，最大水平变形值εmax=0.448 mm/m，最大倾斜值imax=0.982 mm/m，最大曲率Kmax=0.008 5 mm/m2。该硫铁矿实施转地下开采后，对地表铁路路基的变形影响参数均小于Ⅲ级建(构)筑物允许变形值。

3.2 数值分析法计算路基变形

采用ANSYS有限元分析软件，选用Drucker－Prager屈服准则，并根据矿山地质调查和现场力学试验，采用的相关力学参数见表1。

表1 矿岩物理力学参数

根据矿山开采现状及矿体赋存状态，模拟比较上向顺序开采和下向顺序开采对铁路沉降位移的影响结果见图2、图3。由图2可以看出，采用上向开采顺序，首采中段－380 m中段开采完毕时，铁路路基最大沉降位移量为14.9 mm;采用下向开采顺序，首采中段－230 m中段开采完毕时，最大沉降位移量为14.4 mm。从图3可以看出，矿体全部回采结束后，铁路路基形成的最大沉降位移为15.7 mm。

图2 首采中段位移云图

图3 最终位移云图

比较上向和下向2种开采顺序，地下开采造成的铁路路基沉降位移的变化率分别为2.67 mm/中段和4.33 mm/中段。上向开采顺序对地表铁路的影响明显小于下向开采。

4 结论

通过概率积分计算和数值模拟分析，最终获得的铁路路基最大沉降值分别为171.84 mm和15.7 mm，考虑概率积分计算参数取值的影响，2种计算结果基本一致，均处于Ⅲ级保护建(构)筑物允许变形值范围内。

通过数值模拟计算，该矿体采用上向开采顺序明显优于下向开采顺序。一是地下开采引起铁路路基沉降位移的变化率较小;二是对露天坑底及上盘边坡的影响较小。

［1］ 孙凤余，郑 伟，等.概率积分法在矿山环境开采沉陷预测评估中的应用［J］.四川环境，2009(2):90-93.

［2］ 金连生，牟金锁.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.