高铁压覆煤炭资源开采地表变形分析
2018-12-05李庆教
樊 帅 李庆教
（1.中国建材工业地质勘查中心江苏总队，江苏 南京 211135；2.山东华联矿业股份有限公司,山东 淄博 256100）
1 引言
随着时代的进步，高铁的出现大大方便了人们的出行，由于交通网的发展，高铁建设不可避免的穿越矿区，而这些矿区内存在大量的采空区和正在开采的工作面，或者计划开采的工作面，高铁的通过可能会使大量的煤炭资源的开采受到影响，因此研究高铁压覆煤炭资源开采地表的变形是非常必要的，这样既能保证高铁的安全运营，又能最大可能的多开采煤炭资源。
本文以“鲁南快速铁路客运通道”菏曲段为背景，模拟高铁通过矿区采空区引起的地表变形情况，分析高铁荷载下采空区地表变形情况。
2 工作面概况
本文以山东省兖州市大统矿业有限公司E3112工作面为研究对象，该工作面实际采高为3m，煤层走向长417m，倾向长140m，位于矿区东翼采区北部，埋深约240m，对应地表位置有大桥、高大建筑以及规划中的菏曲高铁等地物。菏曲高铁位于E3112开采工作面西北方向，距离约270m。
3 模型的构建与模拟
根据E3112工作面的地质条件建立模型。由于地质条件复杂，对模型进行了部分简化。模型建立完成后模拟随工作面推进地表移动变形情况，然后施加高铁荷载，得到在荷载条件下采空区地表变形情况。
3.1 模型构建
本文以煤矿的实际煤层赋存条件为背景。模型采用FLAC3D软件中的本构关系为摩尔—库伦本构模型，模拟岩层由上到下的岩层及其物理力学参数如表1所示。
表1 岩石物理力学参数表
3.2 建立模型
根据E3112工作面地质条件建立模型，工作面走向长417m，倾向长140m，埋深约240m。为了消除边界条件的影响，根据经验假设边界角为45°，建立模型尺寸为1000×800×411，整个三维模型共划分8200个单元和87822个节点，煤层倾角按照水平建立。模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部为自由地表。根据覆岩发生变形的情况及覆岩的材料特性，本构模型采用弹塑性本构模型，破坏准则采用摩尔-库仑屈服准则。
3.3 模拟结果分析
受回采煤层的扰动影响，覆岩初始应力会发生变化，引起地面下沉，地表下沉值随着工作面的推进不断加大。本次通过FLAC3D分别模拟工作面推进70m、140m、210m、280m的情况下，分析地表移动随工作面推进的变化规律。沿煤层走向与倾向各布置一条观测线，记录模拟过程中地表下沉值。
由于煤层的开采，地表下沉值不断增加，下沉盆地也在不断扩大，由图2可以看出当工作面推进距离比较小时，如仅开采70m时，采空区上覆岩层移动量较小，加之覆岩有一定的支撑能力，最大下沉值仅为11.8mm。随着工作面的推进，覆岩进一步被破坏，地表下沉值不断加大，在推进280m时，最大下沉值达到72.4mm。另外，从图1中得到最大下沉值位置随工作面的推进而向前推进，然而最大下沉值位置处在采空区中心位置的后侧，这是由于覆岩移动有一定的滞后作用。由图2可知煤层采空区倾向线最大下沉值位于采空区的中心。
图1 走向线地表下沉值
图2 倾向线地表下沉值
3.4 荷载的施加
模拟列车参照有南车青岛四方机车车辆股份有限公司生产的CRH380型动车组，起轴重150kN，假定列车内人员及物品总重80kN，且均匀分布在四个车轴上。运行速度350km/h，周期为0.257s。根据列车运行规律与周期特性，列车动荷载模型表达式为:
式中：
P0-车轮静载；
P1、P2、P3-分别为不同控制条件（平顺行、附加动荷载、波面波形磨耗效应）典型值的振动荷载；
ω-振动圆频率。
将列车动荷载施加到开采后的模型上，以工作面推进280m为例得到荷载施加后的地表沉降云图。
图3 走向线下沉值对比图
图4 倾向线下沉值对比图
由图3、图4可得，在开采后的数值模拟模型中加载高铁动荷载，最大下沉值由原本72.4mm增加到78.0mm。由此可见，高铁动荷载的施加使原本达到平衡状态的覆岩重新移动，地表产生了新的移动，地表下沉值增加。
4 结论
本文两位作者在研究生在读期间共同参与山东省兖州市大统矿业有限公司E3112工作面地表沉降观测项目，同时以该矿地质条件为基础进行了高铁压覆煤炭资源开采地表变形分析的研究。
通过FLAC3D数值模拟，对煤层开采后地表沉降规律进行了研究，得到如下结论:
（1）随着工作面的推进，下沉盆地中心位置不断向工作面推进方向移动；
（2）由于上覆岩层移动的滞后性，煤层走向方向最大下沉值位于工作面中心后侧，而倾向方向最大下沉值位于采空区的中间；
（3）FLAC为矿区开采地表移动规律分体提供了方法，可以预测煤炭资源开采后地表移动规律，能有效地预警可能发生的危险，为煤炭资源的开采提供了安全依据，可以尽可能多的开采煤炭资源，又不影响地面的正常生产活动；
（4）高铁动荷载会使采空区平衡破坏，覆岩产生新的移动，地表下沉值增大。
