重載鐵路壓覆煤炭資源開(kāi)采地表沉降機(jī)理

張 凱

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2．冀中能源集團(tuán)邢礦集團(tuán)，河北 邢臺(tái)054021）

冀中能源集團(tuán)邢臺(tái)礦區(qū)的村莊及鐵路下壓煤量數(shù)億噸，為提高煤炭資源回收率，在地表地質(zhì)條件和采礦條件簡(jiǎn)單的地段已進(jìn)行了鐵路下開(kāi)采。

近年來(lái)，隨著煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度的加大，賦存在村莊和鐵路之下的煤炭?jī)?chǔ)量比例逐年提高，而大采高開(kāi)采引起的地表沉陷給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，如何科學(xué)的預(yù)測(cè)地表沉降規(guī)律，為鐵路工程加固提供依據(jù)成為鐵路下煤礦開(kāi)采的重要課題。

礦區(qū)采空區(qū)地表沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的復(fù)雜的非線性過(guò)程，有效的預(yù)測(cè)沉降方法仍然處于探索階段，預(yù)測(cè)理論主要是改進(jìn)的概率積分法和影響函數(shù)的方法，通過(guò)建立三維空間的力學(xué)分層傳遞體系，采用唯象學(xué)的方法得到地表沉降公式和地表沉降曲線，該方法在分層開(kāi)采條件下預(yù)測(cè)地表沉陷取得了較好的效果［1－5］。

目前鐵路、公路、輸電線等下伏煤炭資源開(kāi)采取得了較大的進(jìn)展，許多專家學(xué)者進(jìn)行了科學(xué)研究，取得了很多成果?？紫槔O(shè)計(jì)優(yōu)化了井下工作面的開(kāi)采方案，采取了科學(xué)的維護(hù)措施，保障了鐵路保護(hù)煤柱的安全開(kāi)采［6］；李海洲、楊天鴻采用有限元軟件Comsol Multiphysics對(duì)不同開(kāi)采方案引起的公路地表的沉降進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，效果較好［7］；周澤、李青鋒通過(guò)地表沉陷預(yù)計(jì)對(duì)鐵路保護(hù)煤柱的進(jìn)行了設(shè)計(jì)，有效地控制了地表變形，既保證了煤炭資源的采出，又保障了鐵路的安全運(yùn)營(yíng)［8］。趙軍運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)工作面上方受開(kāi)采影響的鐵路進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了最佳的開(kāi)采方案［9］；胡建軍利用FLAC軟件分析了礦區(qū)地表公路受空區(qū)群影響的沉降變形特點(diǎn)，較好地預(yù)測(cè)了最終地表沉降量［10］。

由于礦區(qū)地表沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的復(fù)雜的非線性過(guò)程，上覆地層巖層結(jié)構(gòu)多變，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，目前的方法在解決地表沉降的非線性大變形方面遇到了很大的困難，近幾年出現(xiàn)的ABAQUS軟件能夠方便地處理巖體工程中各種復(fù)雜的非線性問(wèn)題，成為了當(dāng)今巖石力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用得較為廣泛的數(shù)值模擬方法。

基于此，本文采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行采空區(qū)地表變形規(guī)律研究，以得出地表位移與移動(dòng)速度和開(kāi)采距離之間的關(guān)系，進(jìn)而科學(xué)的預(yù)測(cè)地表沉降規(guī)律，分析鐵路路基沉陷與列車(chē)之見(jiàn)的耦合關(guān)系，使鐵路工程在開(kāi)采條件下保持穩(wěn)定，以達(dá)到充分利用地下礦產(chǎn)資源、解決制約煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的后備資源不足問(wèn)題的目的。

1 工作面開(kāi)采工程地質(zhì)條件

工作面埋深410～500m，走向長(zhǎng)度646～660m，傾斜長(zhǎng)度100～143m，煤層總厚度約6m，煤層傾角2～12°，工作面為一單斜構(gòu)造，僅有三條落差1m左右的斷層，儲(chǔ)量60萬(wàn)t。一次采全高。煤層厚度6m，工作面寬度為140m，開(kāi)采方法為綜采，一次采全高。巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

2 工作面開(kāi)采地表沉降數(shù)值模擬

2．1 數(shù)值模型的建立

考慮到礦山巖體的非均質(zhì)、非線性等特點(diǎn)，以及ABAQUS軟件便于處理復(fù)雜邊界條件、能靈活地模擬巖土工程中復(fù)雜的施工過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，選用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

為了便于觀測(cè)下沉情況，將會(huì)在鐵路周?chē)O(shè)立48個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，沿鐵路線長(zhǎng)2400m，煤層埋深350m。本模型采用三維建模，X與Y軸方向表示水平面，Z軸表示深度方向。X軸方向上取2000m，Y軸方向上取1000m，Z軸方向600m計(jì)算。假設(shè)每一步開(kāi)采30m的長(zhǎng)度。開(kāi)采用20步完成。開(kāi)采順序?yàn)閅軸的負(fù)向，如圖1所示。

圖1 工作面開(kāi)采數(shù)值模型圖

邊界條件假設(shè)為：底面上沒(méi)有X、Y、Z方向位移；左右兩面上沒(méi)有X方向位移；前后兩側(cè)沒(méi)有Y方向位移。層間完全連續(xù)。上頂面為自由面，底面為固定約束，左右前后面均施加法向約束。

在部件模塊中繪制了各個(gè)地層的三維模塊，在屬性模塊中對(duì)各個(gè)地層模塊賦予巖層的各個(gè)參數(shù)，在組裝模塊中將各個(gè)地層組合為一個(gè)整體。對(duì)單元的網(wǎng)格劃分單元型為C3D8R，為8節(jié)點(diǎn)六面體縮減積分單元。工作面共劃分了7637個(gè)單元。圖2為工作面的網(wǎng)格劃分模型。

巖體的屈服準(zhǔn)則采用擴(kuò)展的D－P模型作為工程巖體的本構(gòu)關(guān)系。

圖2 工作面開(kāi)采數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

2．2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2．2．1 工作面X方向地表位移規(guī)律

由X方向的節(jié)點(diǎn)位移圖可以得到以下結(jié)論：①開(kāi)采結(jié)束以后X方向連續(xù)變化，X的移動(dòng)方向在地表是對(duì)向移動(dòng)；②正負(fù)移動(dòng)最大值的絕對(duì)值基本是相等的，而且隨著開(kāi)采的不斷進(jìn)行，這個(gè)絕對(duì)值逐漸增大，從36mm增加到了204mm；③移動(dòng)速度最大值約為5mm／d，隨后移動(dòng)速度逐漸減小，在開(kāi)采結(jié)束時(shí)移動(dòng)速度減小到1mm／d。

2．2．2 工作面Y方向地表位移規(guī)律

由圖5、圖6可看出，隨著開(kāi)采的不斷進(jìn)行，位移值是逐漸增大的然后減小，第15步開(kāi)采后位移達(dá)到最大值135mm，在開(kāi)采結(jié)束以后，位移的最大值為120mm。

圖3 開(kāi)采結(jié)束后X方向位移圖／m

圖4 工作面開(kāi)采過(guò)程中X方向位移圖

圖5 開(kāi)采結(jié)束后Y方向地表位移圖／m

Y方向的移動(dòng)速度是先增加后減小，從每一步移動(dòng)5mm變?yōu)樵黾訛?7mm，從第15步開(kāi)采以后逐漸減小，第15步開(kāi)采時(shí)Y方向位移移動(dòng)速度出現(xiàn)最大值，第16步開(kāi)采結(jié)束以后速度為零值，在第20步開(kāi)采結(jié)束以后速度變?yōu)樨?fù)值。

2．2．3 工作面Z方向地表位移規(guī)律

工作面開(kāi)采結(jié)束以后Z方向的位移如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，隨著開(kāi)采距離的增加，地表各點(diǎn)的沉降都逐漸增加，在開(kāi)采200m以后，沉降已經(jīng)影響到了鐵路。在開(kāi)采 100m、200m、300m、400m、500m、600m結(jié)束以后，地表的最大沉降分別大約為52mm、130mm、230mm、360mm、470mm 和575mm。

圖6 工作面開(kāi)采過(guò)程中Y方向位移圖

圖7 開(kāi)采結(jié)束后Z方向位移圖／m

圖8 工作面開(kāi)采過(guò)程中Z方向位移圖

由圖8可看到以下結(jié)論：自切眼開(kāi)始開(kāi)采至50m、100m、200m、300m、400m、500m、600m、650m時(shí)，其地表下沉分別為0mm、5mm、14mm、38 mm、68mm、120mm、188mm、267mm、359mm、442mm、522mm、581mm、627mm，其下沉速度在推進(jìn)100m時(shí)為0．17mm／d，至200m時(shí)為1．2mm／d，當(dāng)推至300m、350m、400m是下沉速度達(dá)到了2．6mm／d和6．8mm／d，至400m 時(shí)下沉速度最大為7．9mm／d，至450m時(shí)下降到3．06mm／d，開(kāi)采結(jié)束后降至1．15mm／d，自此逐漸趨于穩(wěn)定。

3 列車(chē)荷載與地表沉陷耦合作用數(shù)值模擬

列車(chē)的豎向的振動(dòng)作用增大了采空區(qū)的沉降，路基變形增加，軌道的不平順增強(qiáng)，列車(chē)的振動(dòng)荷載與地表沉陷的耦合作用給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了很大的安全隱患。

分三種工況施加荷載，0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa，探討不同荷載對(duì)開(kāi)采后工作面地表沉降的影響。圖9、圖10分別為為采空區(qū)上方地表受力模型工作面3階振型圖，圖10為不同列車(chē)荷載分別為0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa時(shí)的工作面開(kāi)采地表沉降圖。

圖9 工作面受力模型

圖10 工作面3階振型圖／m

隨著列車(chē)對(duì)軌道作用力的增加，地層的最大沉降值以及沉降范圍都顯著增加。由圖11可看出，在荷載為0．5MPa時(shí)，僅有采空區(qū)上部的鐵路出現(xiàn)了比較大的沉降。最大沉降值為800mm左右；在荷載為2．5MPa時(shí)，鐵路沿線均出現(xiàn)了比較明顯的沉降，最大沉降值為940mm左右；當(dāng)最大荷載增加到12．5MPa時(shí)，除了鐵路沿線外，地表均出現(xiàn)了比較大的沉降，最大沉降為1400mm左右，這時(shí)在鐵路沿線會(huì)出現(xiàn)明顯的三級(jí)臺(tái)階狀沉降。

4 結(jié) 論

1）利用ABAQUS非線性有限元軟件，建立了一次采全高綜采工作面地表變形移動(dòng)的三維數(shù)值模擬模型，進(jìn)行了地表變形的時(shí)空動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析，獲得了地表下沉和位移分布規(guī)律。

圖11 列車(chē)荷載對(duì)采礦區(qū)上方地表沉降影響圖

2）隨著開(kāi)采速度的增加，地表沉降減小，所以在確保安全開(kāi)采的前提下，應(yīng)該適當(dāng)增加開(kāi)采速度以減小鐵路沉降。

3）工作面上列車(chē)振動(dòng)頻率接近接近2．6Hz時(shí)，列車(chē)將和鐵路產(chǎn)生共振。這時(shí)會(huì)給采空區(qū)上方地表造成比較大的沉降，所以在通過(guò)采空區(qū)地段應(yīng)該控制列車(chē)的振動(dòng)頻率，以減少采空區(qū)上方的振動(dòng)。

4）隨著列車(chē)對(duì)軌道作用力的增加，地表的沉降顯著增加，所以在通過(guò)采空區(qū)上方地段應(yīng)減小列車(chē)作用力，以有效地控制鐵路沉降。

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