矿产开采与铁路安全探究

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本文作者：李海洲1杨天鸿1陈仕阔1李杨1王航2于庆磊1作者单位：1东北大学资源与土木工程学院2中国煤炭科工集团沈阳设计研究院

矿区概况及采矿方法

1矿区概况

孟家岗铁矿位于黑龙江省桦南县城北20km孟家岗镇境内。孟家岗铁矿分为孟南和孟北2个矿区。牡佳线铁路于孟北矿区和孟南矿区之间穿过，孟南矿区三维图如图1所示。其中，A点、A1点、A2点、A4点、A5点为安设的地表沉降监测点。孟南矿区不属于铁路下采矿，而是在铁路线一侧，留有铁路永久保安矿柱，符合原来的三下采矿技术规范。但是，根据2004年12月27日中华人民共和国国务院令第430号《铁路运输安全保护条例》第十八条规定“在铁路线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起各1000m范围内，禁止从事采矿、采石及爆破作业。在规定的范围内，因修建道路、水利工程等公共工程，确需实施采石、爆破作业的，应当与铁路运输企业协商后，采取必要的安全防护措施。”为保证牡佳线铁路还有临近公路的安全运营，本文对影响孟家岗铁矿开采方案的研究就有了充分的意义。

2采矿方法

根据现场调查和结合现场实际，铁路线路保安矿柱错动角与地表岩体错动角相同，即矿体下盘为65°，地表第四系松散沉积岩45°，铁路线路保安矿柱范围内的1―4#勘探线间的Ⅰ号矿体，不开采，留作铁路线路永久保安矿柱。在保留现有采空区的前提下，设计提出该矿群5#，6#勘探线铁路下开采有2种可行方案，分别为：方案一采用房柱法，矿房回采高度为阶段高度60m，厚度为矿体厚度，考虑经济效益，最后确定沿矿体走向矿方之间留设15m永久间柱。方案二矿房用上向分层全尾砂胶结充填采矿法，经过对比研究确定充填料配比为“尾砂+普通水泥+粉煤灰+水”配比模式，质量浓度为75%，水泥200kg/m3，粉煤灰300kg/m3。回采高度为阶段高度60m，厚度为矿体厚度，不留设间柱。矿房随采随充，矿房采完后不形成空区。

模拟方案及数值模型的建立

1模拟方案

本文应用有限元力学分析软件ComsolMul-tiphysics。分别对矿区5#，6#勘探线不同采矿方法下矿体开采引起的地表公路、铁路变形进行数值模拟，模拟方案包括：工况1原有采空区情况下的地表沉降变形；工况2在原有采空区基础上，采用房柱法将移动滑移界限以外矿体全部开采后引起的地面沉降变形；工况3采用上向胶结充填采矿法对移动滑移界限以外矿体进行开采，并充填原有的老采空区时地表的沉降变形。

2模型的建立

根据矿区地质资料，分别对矿区5#，6#勘探线3种工况条件下进行模拟计算。1）二维数值模型几何尺寸：模型几何尺寸为600×250m，剖分为11200个单元网格。2）边界条件：模型侧边限制x方向位移，底部固定，上部自由以自重赋予初始的地应力。3）模型参数：通过岩体宏观结构凋查分析、取样、室内岩石力学试验和工程类比等确定模型的物理力学参数，见表1。

开采对铁路、公路变形的模拟及分析

5#，6#勘探线范围内，铁路、公路均在矿体下盘一侧，5#，6#勘探线地下矿体下盘距离公路的斜距分别为91.28，55.53m，垂直距离分别为88.5，53.7m。矿区现有2个老采空区，未充填。

15#勘探线模拟结果

5#勘探线位置在3种工况下的沉降曲线及地表沉降云图见图2，3所示。

26#勘探线模拟结果

6#勘探线位置在3种工况下的地表沉降云图及沉降曲线见图4，5。5#和6#勘探线位置在3种工况下的模拟结果，见表2。由图4，5和表2分析可知：1）5#，6#勘探线位置由于原有空区不连续，中间有矿柱支撑，所以引起的地表沉降较小。2）在原有空区基础上，采用房柱法对移动带界限外侧的矿体进行开采，地表公路处的水平变形1.53mm/m～1.63mm/m＞1.5mm/m，不符合安全规程要求，同时，铁路处的沉降为31～33mm＞30mm，倾斜1.07mm/m～1.09mm/m＞1mm/m，水平变形1.02mm/m～1.18mm/m＞1mm/m，不符合安全规程要求。3）采用上向胶结充填法采矿，地表铁路、公路处的沉降值、水平变形、倾斜、曲率均满足安全规程要求。

公路地表保护措施及沉降监测

公路要求一次性形成整体结构，公路路面结构抗变形措施可采取调整变形缝与配筋设置、基层部位设置滑动层等。孟家岗铁矿从2010年4月10号至11月20号对地表公路沉降进行了监测，共布置了A，A1，A2，A4和A5，5个监测点，监测数据如图6所示，其中位移最大不超过7mm，可见，监测结果较好地验证了数值模拟结果的正确性。

结论

1）结合现场实际，铁路线路保安矿柱错动角与地表岩体错动角相同，即矿体下盘为65°，地表第四系松散沉积岩45°，铁路线路保安矿柱范围内的1#－4#勘探线间的Ⅰ号矿体，不开采，留作铁路线路永久保安矿柱。2）根据孟家岗铁矿的实际地质条件,应用ComsolMultiphysics对5#，6#典型勘探线不同采矿方法条件下矿体开采引起的地表变形进行数值模拟。模拟分析得出，采用房柱法（15m间柱）对移动带界限外侧的矿体进行开采，地表公路处的水平变形值为1.53～1.63mm/m>1.5mm/m，不符合安全规程的要求，同时，铁路处的沉降值为31～33mm>30mm，倾斜1.07～1.09mm/m>1mm/m，水平变形1.02～1.18mm/m>1mm/m，不符合安全规程要求；采用上向胶结充填法（尾砂+普通水泥+粉煤灰+水”配比模式，质量浓度为75%，水泥200kg/m3，粉煤灰300kg/m3）采矿，地表铁路、公路处的沉降值、水平变形、倾斜、曲率均满足安全规程要求。3）实际监测数据也较好地验证了数值模拟结果的正确性，说明移动滑移线以外的矿体采用胶结充填法开采，不会影响地表公路、铁路的正常运营，保证了施工的安全性，确保矿山后续的安全生产。