新城金矿深部资源扩采对地表铁路的影响研究

2022-07-13刘滨

现代矿业 2022年6期

刘滨

（山东黄金矿业股份有限公司新城金矿）

由于铁路服务年限长，覆盖面积广，铁路下开采不同于其他建筑物下开采，一旦出现问题则会影响全线。国内在地下开采引起地表移动方面做了大量研究，主要方法有理论计算［1］、数值模拟［2］及现场监测［3］。谭志祥等［4］根据现场实测获取了地表移动参数，采用概率积分法对石台煤矿铁路桥下开采进行了沉陷预计；李海洲等［5］采用有限元力学分析软件Comsol研究了孟家岗铁矿开采对矿区内铁路的影响；叶新荣等［6］运用条带开采沉陷理论对刘家口煤矿采空区引起地表铁路移动变形进行了分析；王志国等［7］采用FLAC数值模拟分析了小王庄铁矿开采对铁路路基的影响；李同鹏等［8］采用概率积分法计算了某硫铁矿上方铁路的移动变形。以上研究为铁路下采矿提供了可靠的依据。

本研究采用FLAC3D数值模拟方法着重分析新城金矿采选扩建范围内矿体开采对地表铁路的影响，以期为新城金矿采选扩建工程提供参考依据。

1 工程概况

新城金矿采选扩建工程主要为新城、滕家、曲家3个矿区。其中，新城矿区为已有工程，滕家、曲家矿区为新建工程，其构造位置处于“新城焦家断裂带新城段”，扩建范围内矿体上盘围岩有绢英岩化花岗质碎裂岩、绢英岩化花岗岩，矿体下盘围岩为绢英岩化花岗质碎裂岩、绢英岩化花岗岩、二长花岗岩，岩体结构完整，以整体块状结构为主。矿体赋存在-630～-1 680 m，其中滕家矿区资源赋存在-630～-1 330 m，曲家矿区资源赋存在-880～-1 680 m，新城深部矿区的资源主要分布在-1 080 m中段，基建开拓深度为-1 330 m，扩建范围内矿体厚度较小，平均厚度为6 m，平均倾角为20°，大家洼—莱州—龙口铁路（简称大莱龙铁路）从矿区西侧通过。考虑到回采实际情况，本研究将部分不具有回采价值的矿体（极薄或极小矿体）按围岩处理，以期达到三维地质模型与新城金矿实际回采范围最大程度接近。矿区三维模型如图1所示。

2 数值模拟计算

2.1 开采方案

根据前期可行性研究，矿床回采顺序总体上为垂直方向先开采上中段、后采下中段；若相邻中段同时作业，上中段回采超前距离大于1～2个矿块的长度。因此，应首先考虑受开采引起地表最大沉降量的可能性，故拟定模拟方案为赋存地下矿体一次性全部开采并充填。

2.2 模型的建立

根据新城金矿采选扩建工程范围内矿体条件建立FLAC3D数值计算模型，模型以矿体走向为Y轴，矿体倾向方向为X轴，铅垂方向为Z轴。计算模型在X方向上的长度为3 400 m，Y方向上的长度为3 600 m，Z方向上的高度为1 710 m，共划分749 241个单元，129 773个节点。根据岩体的岩性、结构类型、岩体强度、岩块硬度等方面的不同，可将矿床的工程地质条件大致可分为5个区：第四系松散软弱岩层工程地质条件不良区（I）；基岩风化带及主断裂面附近工程地质条件较差区（II）；基岩风化带与上盘蚀变带之间工程地质良好区（III）；上盘及下盘蚀变带工程地质条件良好区（IV）；矿底板二长花岗岩体工程地质条件优良区（V）；如图2所示。

通过岩体宏观结构调查分析、室内试验以及地质报告确定模型中各岩层的力学参数，其中充填体的力学参数与新城金矿现采用的参数一致（表1），同时本次数值模拟采用含拉伸截断的摩尔-库伦强度准则。依据深部地应力场，对模型施加梯度应力边界及重力场。

3 结果分析

通过在模型走向方向1 250 m处设置剖面来观察地表的位移变化趋势，计算结果如图3所示。

由以上结果可知，当采完及时充填时，地表最大下沉量在6 mm左右，本研究假定变形小于5 mm时，该区域属于非扰动区，据此划分为非扰动区、扰动变形区以及开挖损伤区（图3（d））。扰动变形区可扩展至距离地表以下216 m处，而开挖损伤区只是分布在采区周边，这也与采后充填时围岩周边产生的拉剪塑性区基本一致。通过提取数据，得到地表大莱龙铁路竖向沉降量和水平偏斜量，如图4所示。

从图4中的数据可以看出，采区充填后铁路沿线的最大沉降量为2.7 mm，铁路线的最大水平偏斜量为3.55 mm，均符合安全规程要求。由于滕家矿区地下赋存矿体较厚大，开采后，地表铁路线在滕家矿区上盘附近沉降量较曲家矿区上盘大。因此可以确定地下开采伴随胶结充填时，围岩产生的变形不能扩展至地表，不会影响地表铁路正常运营。

4 地表沉降监测

4.1 监测设备选择

采用SD-226型液压式静力水准仪，该液压式静力水准仪是由储液器、进口高精度芯体和特殊定制电路模块等组成，适用于测量地量程小、精度高的液位测量，主要应用于地铁隧道、楼房地基沉降、大坝的测量，测量方式采用24 h自动无间断监测。

液压式静力水准仪监测系统内置GPRS模块，通过网络传输将监测数据传至云端平台，客户端以访问网页的形式查看监测结果。通过对监测数据进行分析和处理，可以得到监测数据的累积变形值随时间的变形曲线。

4.2 测点布设

液体静力水准系统的常用布置方法有2类，第一类为“线”形，该类布置方式以第一个测点为基准点，各传感器以并联的方式连接于主电缆线，“线”形式可以是一整条线路（例如用于地铁、隧道及大坝等沉降监测），也可以为多条相互垂直或者斜交的线路，每条线路相互独立（多用于采矿领域监测地表移动盆地的沉降规律）；第二类为“环”形，该类布置方式同样以第一个测点为基准点，各传感器并联于主电缆线，主电缆线以环形布置于监测区域，该方式主要用于监测地表建筑物的沉降规律。值得注意的是，不论采用何种布置方式，都需要考虑因监测线路过长所引起非必要的功耗而导致设备无法正常使用的情况，这主要与传感器的额定输入电压、传感器内部电阻及线缆电阻等因素相关，因此在设备、电缆选型及监测方案制定时需要计算相关功耗从而保证设备的正常运行。

设备类型及监测布置方案确定后，在相邻两静力水准仪之间布置气管、连通液管及供电线路。将第一个静力水准仪测点设为基准点，第一个静力水准仪一侧的气管与连通液管与储液罐连接，另一侧与第二个静力水准仪相连，而后依次连接至第n个静力水准仪。采用四芯电缆将各静力水准仪并联而后连接至数据采集终端，四芯电缆中两芯用于传感器供电，其余两芯用于数据传输。数据采集终端内置无线传输模块，通过GPRS网络将监测数据传输至云端数据服务中心，监测中心服务器通过HTTP传输协议访问云端数据服务中心，用户可以对项目进行查询、管理、维护等操作。

距离地表铁路距离最近的矿体下边界埋深为1 260 m，上边界埋深970 m，平均埋深为1 115 m，矿体下边界离铁路的水平距离约为100 m。本次监测重点目标为铁路随开采过程的沉降变化，共布设N1～N10的10个地表沉降监测测点，各测点间距5 m。

4.3 监测结果

地表液体静力水准监测系统于2021年6月15号安装，经过调试后在6月20日正式运行。测线内各测点的累计沉降值如图5所示，N2～N5测点的累计沉降值在0 mm处波动，该监测区域内地表没有发生沉降；N10测点累计沉降值在2 mm处波动；N7～N9测点随时间变形值不断变大，随后开始周期性波动趋于稳定状态，N7测点累计沉降值约为5.2 mm，N8测点累计沉降值约为7.9 mm，N9测点累计沉降值约为5.7 mm。