礦產開采與鐵路安全探究
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本文作者：李海洲1楊天鴻1陳仕闊1李楊1王航2于慶磊1作者單位：1東北大學資源與土木工程學院2中國煤炭科工集團沈陽設計研究院
礦區概況及采礦方法
1礦區概況
孟家崗鐵礦位于黑龍江省樺南縣城北20km孟家崗鎮境內。孟家崗鐵礦分為孟南和孟北2個礦區。牡佳線鐵路于孟北礦區和孟南礦區之間穿過，孟南礦區三維圖如圖1所示。其中，A點、A1點、A2點、A4點、A5點為安設的地表沉降監測點。孟南礦區不屬于鐵路下采礦，而是在鐵路線一側，留有鐵路永久保安礦柱，符合原來的三下采礦技術規范。但是，根據2004年12月27日中華人民共和國國務院令第430號《鐵路運輸安全保護條例》第十八條規定“在鐵路線路兩側路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起各1000m范圍內，禁止從事采礦、采石及爆破作業。在規定的范圍內，因修建道路、水利工程等公共工程，確需實施采石、爆破作業的，應當與鐵路運輸企業協商后，采取必要的安全防護措施。”為保證牡佳線鐵路還有臨近公路的安全運營，本文對影響孟家崗鐵礦開采方案的研究就有了充分的意義。
2采礦方法
根據現場調查和結合現場實際，鐵路線路保安礦柱錯動角與地表巖體錯動角相同，即礦體下盤為65°，地表第四系松散沉積巖45°，鐵路線路保安礦柱范圍內的1―4#勘探線間的Ⅰ號礦體，不開采，留作鐵路線路永久保安礦柱。在保留現有采空區的前提下，設計提出該礦群5#，6#勘探線鐵路下開采有2種可行方案，分別為：方案一采用房柱法，礦房回采高度為階段高度60m，厚度為礦體厚度，考慮經濟效益，最后確定沿礦體走向礦方之間留設15m永久間柱。方案二礦房用上向分層全尾砂膠結充填采礦法，經過對比研究確定充填料配比為“尾砂+普通水泥+粉煤灰+水”配比模式，質量濃度為75%，水泥200kg/m3，粉煤灰300kg/m3?；夭筛叨葹殡A段高度60m，厚度為礦體厚度，不留設間柱。礦房隨采隨充，礦房采完后不形成空區。
模擬方案及數值模型的建立
1模擬方案
本文應用有限元力學分析軟件ComsolMul-tiphysics。分別對礦區5#，6#勘探線不同采礦方法下礦體開采引起的地表公路、鐵路變形進行數值模擬，模擬方案包括：工況1原有采空區情況下的地表沉降變形；工況2在原有采空區基礎上，采用房柱法將移動滑移界限以外礦體全部開采后引起的地面沉降變形；工況3采用上向膠結充填采礦法對移動滑移界限以外礦體進行開采，并充填原有的老采空區時地表的沉降變形。
2模型的建立
根據礦區地質資料，分別對礦區5#，6#勘探線3種工況條件下進行模擬計算。1）二維數值模型幾何尺寸：模型幾何尺寸為600×250m，剖分為11200個單元網格。2）邊界條件：模型側邊限制x方向位移，底部固定，上部自由以自重賦予初始的地應力。3）模型參數：通過巖體宏觀結構凋查分析、取樣、室內巖石力學試驗和工程類比等確定模型的物理力學參數，見表1。
開采對鐵路、公路變形的模擬及分析
5#，6#勘探線范圍內，鐵路、公路均在礦體下盤一側，5#，6#勘探線地下礦體下盤距離公路的斜距分別為91.28，55.53m，垂直距離分別為88.5，53.7m。礦區現有2個老采空區，未充填。
15#勘探線模擬結果
5#勘探線位置在3種工況下的沉降曲線及地表沉降云圖見圖2，3所示。
26#勘探線模擬結果
6#勘探線位置在3種工況下的地表沉降云圖及沉降曲線見圖4，5。5#和6#勘探線位置在3種工況下的模擬結果，見表2。由圖4，5和表2分析可知：1）5#，6#勘探線位置由于原有空區不連續，中間有礦柱支撐，所以引起的地表沉降較小。2）在原有空區基礎上，采用房柱法對移動帶界限外側的礦體進行開采，地表公路處的水平變形1.53mm/m～1.63mm/m＞1.5mm/m，不符合安全規程要求，同時，鐵路處的沉降為31～33mm＞30mm，傾斜1.07mm/m～1.09mm/m＞1mm/m，水平變形1.02mm/m～1.18mm/m＞1mm/m，不符合安全規程要求。3）采用上向膠結充填法采礦，地表鐵路、公路處的沉降值、水平變形、傾斜、曲率均滿足安全規程要求。
公路地表保護措施及沉降監測
公路要求一次性形成整體結構，公路路面結構抗變形措施可采取調整變形縫與配筋設置、基層部位設置滑動層等。孟家崗鐵礦從2010年4月10號至11月20號對地表公路沉降進行了監測，共布置了A，A1，A2，A4和A5，5個監測點，監測數據如圖6所示，其中位移最大不超過7mm，可見，監測結果較好地驗證了數值模擬結果的正確性。
結論
1）結合現場實際，鐵路線路保安礦柱錯動角與地表巖體錯動角相同，即礦體下盤為65°，地表第四系松散沉積巖45°，鐵路線路保安礦柱范圍內的1#－4#勘探線間的Ⅰ號礦體，不開采，留作鐵路線路永久保安礦柱。2）根據孟家崗鐵礦的實際地質條件,應用ComsolMultiphysics對5#，6#典型勘探線不同采礦方法條件下礦體開采引起的地表變形進行數值模擬。模擬分析得出，采用房柱法（15m間柱）對移動帶界限外側的礦體進行開采，地表公路處的水平變形值為1.53～1.63mm/m>1.5mm/m，不符合安全規程的要求，同時，鐵路處的沉降值為31～33mm>30mm，傾斜1.07～1.09mm/m>1mm/m，水平變形1.02～1.18mm/m>1mm/m，不符合安全規程要求；采用上向膠結充填法（尾砂+普通水泥+粉煤灰+水”配比模式，質量濃度為75%，水泥200kg/m3，粉煤灰300kg/m3）采礦，地表鐵路、公路處的沉降值、水平變形、傾斜、曲率均滿足安全規程要求。3）實際監測數據也較好地驗證了數值模擬結果的正確性，說明移動滑移線以外的礦體采用膠結充填法開采，不會影響地表公路、鐵路的正常運營，保證了施工的安全性，確保礦山后續的安全生產。
