高速铁路沿线陡深萤石矿采空区变形分析

李 立

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

采空区开采时,地下水位变化将引发围岩有效应力、附加应力和孔隙水压力的改变[12-13],抽水结束后,各土层沉降持续发展,且增幅较大,滞后效应显著,易导致地面塌陷等不良地质现象。 因此,有必要研究地下水位变化对采空区内部受力机理和外部变形特征的影响。 近年来,部分学者对铁矿、煤矿等开采后地下水位变化规律和地下水位变化对矿区稳定性的影响开展了系统研究。 王灵敏等对某铁矿采空区地下水流进行三维数值模拟,研究采空范围内矿井抽水引起的地下水动态变化特征[14];唐莉等探讨某煤矿采空区裂隙与产汇流之间的关系,并建立适用于煤矿采空区特殊下垫面的水文模型[15]。

现阶段,采空区评估过程中,地表移动盆地范围划定尚无固定方法,评估时人为主观影响因素较大[16]。对于开采深度较大、矿体倾角较陡的采空区,基于开采底板绘制移动盆地边界时,最外侧边界和危险移动边界可能位于矿体开采范围内,这与常规认知不符。 故而需探讨地下水位变化对倾角较陡、开采深度较大的萤石矿开采后矿区周围土体受力变形的影响,以及矿体开采对周围构(建)筑物的影响范围。

某新建高速铁路附近有萤石矿开采,通过现场调查、资料收集、物探等综合手段,查明采空区工程地质条件和开采现状,利用数值模拟的方法揭示抽水时陡深采空区的受力变形变化规律以及矿体开采对周围建(构)筑物的影响边界,并将其与移动盆地法计算结果进行对比,以期对陡深萤石矿开采的影响评估提供理论支撑。

1 工程概况

1.1 矿区地质概况

某萤石矿地处两镇交界处,其中开采工作面距离铁路较近,可能对铁路工程造成影响。 矿区西侧紧邻高速公路,附近有少量的居民居住区。 铁路线路、高速公路与矿区相对位置见图1。

图1 萤石矿相对位置及大地构造位置

矿区属剥蚀丘陵地貌及丘间谷地,地形起伏较大。根据测绘资料及钻探成果,主要岩性为第四系坡残积层粉质黏土、白垩系上统下部泥质粉砂岩和砂岩、燕山期早期第一阶段花岗岩。

该矿区位于华南褶皱系之赣南—粤北凹陷和武夷隆起接合部,线路所经过矿脉受控于河源—邵武深断陷带东翼之瑞金—寻乌深断裂,近似呈北东向,断层走向约55°,沿走向多组次生断层平行展布,高陡角度产出于白垩系砂岩地层中,受控于深层热液沿断裂破碎带充盈产出形成萤石矿,萤石矿床大地构造位置见图1。

基岩裂隙水主要赋存于下白垩系上统泥质粉砂岩基岩裂隙中,透水性差,含水量贫乏,主要接受大气降水和上层孔隙水渗透补给,向更低河流排泄基准面径流排泄。

以与高铁水平距离较近的5 个矿区中开采范围最大的萤石矿(后文称之为M 矿区)为主要研究对象,该矿区开采底部高程为-100 m,新建高铁以桥梁形式通过该矿区。

1.2 矿区开采情况

采用地质调查、采空情况走访和物探等手段,基本查明了采空区开采现状和开采对周边环境的影响,物探测线布置见图2。 调查与走访结果发现,矿区内和矿区周围分布民房,西侧为高速公路,矿区内和周围零星分布水塘,民房与高速公路均未发现较大沉降与开裂,水塘水位没有明显下降。 采空区沿矿脉所处断裂走向呈条带状展布,矿脉宽2~12 m。 萤石矿矿体平面位置见图2。

图2 M 矿区物探测线布置

结合测线2 物探结果,绘制A-A′断面工程地质(见图3)。 物探结果揭示,采空范围与现场调查和资料收集获取的采空区边界一致,进一步验证M 矿区沿矿脉开采,矿脉倾角约60°。

采空区中段开采情况如图3 所示。 矿区采取由浅至深、逐级台阶开采、竖井提升的方式作业,各开采中段间保留2 m 保护矿柱。 以采区140 中段为例,主要开采140~168 m 高程矿体。

2 理论计算

根据M 矿区采矿许可证范围,该萤石矿开采高程为-100~238 m,采空区所在位置地面平均高程为230 m,故开采最大深度约330 m,M 矿区-100 m 高程处距离铁路约987.53 m。

依据《铁路工程不良地质勘察规程》[17]与《铁路工程地质手册》[18]关于移动盆地的预测,地面影响区半径为

式中,r为地面影响区半径;H为开采深度;B为移动角,其正切值一般在1.5~2.5 之间。

采空区矿层倾角为60°,按照古生代石炭二叠系急倾斜开采方法的移动角计算公式,下山方向,移动角取47°,边界角取41°。 采空区稳定性分析剖面见图4。计算得采空区移动边界距线路680.32 m,影响边界距线路608.54 m,考虑20 m 围护带宽度,则围护带与线位中心距离为588.54 m。

图4 采空区稳定性分析剖面示意(单位:m)

3 数值模拟

3.1 模型建立

为简化模型,突出萤石矿沿断层发育的矿体特征,利用FLAC3D 有限差分软件建立平面应变模型,所建区域模型长1 500 m,宽5 m,高400 m。 矿体底部距模型底部60 m,矿体高330 m,倾角为61°,发育于断层角砾岩中。 萤石矿开采范围投影至地面长180 m。 根据现场收集的采空区开采中段高程资料,在各开采高程间模拟高2 m 的保护矿柱。 所建模型见图5。

图5 萤石矿模型示意(单位:m)

根据前期钻探资料,区域上层为泥质粉砂岩(35 m),下伏砂岩,岩土体满足Mohr-coulomb 本构模型。 结合试验资料及相关经验,选取本次计算的地层和矿体参数(见表1)。

表1 各地层物理力学参数

分别建立考虑与不考虑地下水作用的采空区模型,2 种工况下,采空区周边1 倍采空区直径范围内围岩强度和黏聚力均折减0.5 倍[19]。 当考虑采空区地下水作用时,地下水位以实测水位为依据,于采空区开采最低高程(-100 m)处抽水,抽水点单位流量为55 m3/h。

模型于左右两侧施加x方向约束,前后两侧施加y方向约束,渗流边界根据计算工况按照水头边界处理;底面设置x、y、z方向约束,为不排水边界;上端自由,为自由排水边界。 上述边界在抽水过程中保持恒定。

3.2 模型验证

距采空区最近高速公路宽32.4 m,萤石矿开采后,高速公路地表倾斜为0.001 6 mm/m,远小于《公路路基设计规范》规定公路采空区地表倾斜变形容许值3 mm/m[20]。 结合现场调查结果,济广高速未发生较大变形与开裂,因此,数值模拟结果符合现场调查情况。

3.3 计算结果分析

(1) 地表变形

考虑和不考虑地下水作用时,采空区开采后地面沉降曲线见图6,考虑地下水作用时,自模型左侧边界至萤石矿矿体地面沉降逐渐增大,在距矿顶左侧76.09 m 处地面沉降最大,达39.3 mm,而后地面沉降呈现断崖式减小,距矿顶左侧40.59 m 处地面沉降最小(仅1.01 mm),随着远离开采区,地面沉降逐渐增大并趋于稳定,铁路线位处地面沉降为5.74 mm。

图6 地面垂直位移曲线

不考虑地下水作用时,地面沉降变化规律与考虑地下水作用时相似,在距矿顶左侧76.09 m 处地面沉降最大,为18.9 mm,随着靠近铁路线位,地面出现轻微上拱,最大上拱值为4.13 mm,铁路线位处地面沉降为0.02 mm,远小于考虑地下水作用时的沉降,表明不考虑地下水作用时,矿体开采对地表影响较小。

考虑地下水作用时,地面沉降大于不考虑地下水作用,这是由于抽水将改变地下水流场,抽水点附近土体孔隙水压力减小,有效应力增大,土体压缩变形,该变形传递至地面导致地面沉降增大。 矿体开采范围内地面垂直位移远大于开采范围外,可将采空区上壁视为梁结构,两端受围岩支撑,因此矿区中部受拉应力易发生拉伸破坏,产生较大变形。

不考虑地下水作用时,地面沉降在距矿体底板480.1 m 范围外变形趋于稳定。 考虑地下水作用时,地面沉降在距矿体底板632.0 m 范围外变形趋于稳定。 连线地面沉降稳定点与矿体开挖最低点,绘制危险移动边界(见图7)。 不考虑地下水作用时,移动角为35°,考虑地下水作用时,移动角为28°,均小于移动盆地法计算的移动角,且考虑地下水作用时,矿体开采对地面变形的影响范围大于不考虑地下水作用时。

图7 危险移动边界示意

(2)矿体变形

考虑和不考虑地下水作用时,不同开采中段顶部沉降量见图8。

图8 不同开采中段顶部沉降量

由图8 可知,考虑和不考虑地下水作用时,不同开采中段顶部沉降量随高程变化规律一致。 靠近地表处开采中段顶部沉降最小,分别为7.78 mm 和3.01 mm,开采中段顶部沉降最大,分别为54.7 mm 和26.1 mm,而后随开采高程减小,开采中段顶部沉降逐渐减小。因此,陡倾萤石矿开采时,应重点监测第二开采中段顶部沉降,并加强该处支护,防止出现冒顶等现象。

(3)孔隙水压力变化

采空区开采前后,矿体围岩孔隙水压力曲线见图9。 开采前,土体孔隙水压力随距地面距离线性增大。采空区抽水并开采后,围岩孔隙水压力存在两处峰值,一处位于采空区中部,为308.9 kPa,另一处位于采空区底部,为561.1 kPa。 距地面越远,土体孔隙水压力降幅越大。

图9 矿体围岩孔隙水压力曲线

考虑地下水作用时,采空区开采后孔隙水压力云图见图10。 可以看出,采空区抽水并开采后,矿区所在位置存在明显孔隙水压力漏斗,矿体周围孔隙水压力低于同一深度处其他位置孔隙水压力,这是由于采空区开采形成的空腔给孔隙水提供了导水通道,采空区周围孔隙水压力易消散。

图10 孔隙水压力云图(单位:kPa)

4 结论

(1)抽水将改变地下水流场,增大地面沉降。 考虑地下水作用时,铁路线位所在位置地面沉降为5.74 mm,对铁路工程影响较小。 矿体开采范围内地面垂直位移远大于开采范围外,矿区中部易发生拉伸破坏,产生较大变形。

(2)对于开采深度较大、矿体倾角较陡的采空区,基于移动盆地法计算的移动角较大,且考虑地下水作用时,矿体开采对地面变形的影响范围大于不考虑地下水作用时。

(3)陡倾萤石矿开采时,应重点监测第二开采中段顶部沉降,并加强该处支护,防止出现冒顶等现象;距地面越远,土体孔隙水压力降幅越大;采空区开采形成的空腔给孔隙水提供了导水通道,采空区周围孔隙水压力更易消散。